Hochviskose chemische Lösungen verursachen ein anderes Erwärmungsproblem als niedrigviskose Bäder. Die Heizung erreicht möglicherweise die erforderliche elektrische Leistung, der Tank kann sich jedoch langsam erholen oder starke Temperaturunterschiede zwischen dem Heizbereich und der übrigen Flüssigkeit aufweisen.
Für einenPTFE-TauchsiederDie Viskosität beeinflusst, wie effizient Wärme von der Heizoberfläche wegtransportiert wird. Daher müssen Heizleistung, aktive Oberfläche, Zirkulation, Einbaulage und Tankgeometrie gemeinsam betrachtet werden.
Warum die Viskosität die Heizleistung verändert
Wenn eine Flüssigkeit viskoser wird, erhöht sich ihr Strömungswiderstand. Die natürliche Konvektion kann schwächer werden, und auch die Zirkulation durch Pumpen oder Rührwerke kann weniger effektiv werden.
Die Wärmeübertragung von einem Tauchsieder kann wie folgt vereinfacht werden:
Q=hAΔT
WoQwird Wärme übertragen,hist der effektive Wärmeübertragungskoeffizient,Aist aktive Heizfläche, undΔTist der Temperaturunterschied zwischen der Heizfläche und der umgebenden Flüssigkeit.
Wenn die Flüssigkeitsbewegung um das Heizgerät herum eingeschränkt ist,hkann abnehmen. Um die gleiche Wärmemenge zu übertragen, kann dann ein größerer Temperaturunterschied erforderlich sein.
Hohe Viskosität kann eine heiße Schicht um die Heizung herum bilden
Eine hochviskose Lösung kann sich langsam von der Heizoberfläche entfernen.
Die den Heizer unmittelbar umgebende Flüssigkeit kann daher erheblich wärmer werden als die Hauptlösung.
Dadurch entstehen zwei Probleme.
Die erste ist die Ungleichmäßigkeit der Temperatur. Der zweite Grund ist eine erhöhte thermische Belastung an der Heizoberfläche.
Ein Tanksensor, der weit von der Heizung entfernt positioniert ist, zeigt möglicherweise weiterhin eine Temperatur unter dem Zielwert an, obwohl die Flüssigkeit, die die Heizfläche unmittelbar umgibt, bereits viel heißer ist.
Eine einfache Erhöhung der Heizleistung kann diesen Zustand verschlimmern.
Die Heizfläche wird immer wichtiger
Der durchschnittliche Wärmestrom der Heizfläche kann geschätzt werden mit:
q = P/A
WoPist elektrische Energie undAist eine aktive Heizfläche.
Betrachten Sie einen beispielhaften Heizbedarf von 10 kW:
| Konfiguration | Leistung | Aktiver Heizbereich | Durchschnittlicher Wärmestrom |
|---|---|---|---|
| Kompakter Heizer | 10 kW | 0.50 m² | 20 kW/m² |
| Mittelflächenheizung- | 10 kW | 0.80 m² | 12,5 kW/m² |
| Verteilte Heizung | 10 kW | 1.20 m² | 8,3 kW/m² |
Bei diesen Zahlen handelt es sich um illustrative Berechnungen und nicht um allgemeingültige zulässige PTFE-Betriebswerte.
Durch eine Vergrößerung der aktiven Fläche kann die gleiche elektrische Leistung über eine größere Fläche verteilt werden. Ob dadurch die tatsächliche Prozessleistung verbessert wird, hängt von der Zirkulation, den chemischen Eigenschaften, der Heizungsgeometrie und den Tankabmessungen ab.
Temperaturänderungen können die Viskosität beeinflussen
Viele chemische Flüssigkeiten werden mit steigender Temperatur weniger viskos.
Dadurch entsteht eine wichtige Dynamik beim Start.
Zu Beginn des Erhitzens kann die Lösung relativ viskos sein und die Zirkulation kann schlecht sein. Wenn die Temperatur steigt, kann die Viskosität abnehmen und die Flüssigkeitsbewegung kann sich verbessern.
Das Heizsystem kann sich daher beim Anfahren und im stationären Betrieb unterschiedlich verhalten.
Eine Heizung, deren Größe nur auf den stationären -Zustand ausgelegt ist, bietet möglicherweise keine ausreichende Startleistung, wenn die Anfangsviskosität wesentlich höher ist.
Die mechanische Zirkulation muss zur Flüssigkeit passen
Bei hochviskosen Lösungen kann eine mechanische Zirkulation erforderlich sein, um die Wärme durch den Tank zu transportieren.
Allerdings ist die Nennleistung der Pumpe allein keine Garantie für eine effektive Wärmeübertragung.
Der Strömungsweg sollte die Heizzone erreichen und erhitzte Flüssigkeit zu den kälteren Teilen des Tanks transportieren.
Ein Zirkulationssystem, das die Heizung umgeht, kann eine hohe Gesamtdurchflussrate haben und dennoch eine schwache lokale Wärmeübertragung erzeugen.
Rührwerksposition, Pumpeneinlass, Auslassstelle, interne Rohrleitungen und Heizungsplatzierung sollten daher als Gesamtsystem bewertet werden.
Die Position der Heizung kann stagnierende Zonen reduzieren
Bei einer Heizung, die in einer Ecke oder in der Nähe einer Tankwand installiert ist, kann es zu einem schwachen Flüssigkeitsaustausch kommen.
Bei viskosen Lösungen kann dieses Problem ausgeprägter sein.
Die aktive Heizfläche sollte idealerweise dort positioniert werden, wo die Zirkulation die Heizung aus mehreren Richtungen erreicht oder wo der Prozessfluss gezielt über die Heizzone geleitet wird.
Der Abstand zum Tankboden und zu den Wänden sollte auch Sedimente, Ablagerungen und Wartungszugänge berücksichtigen.
Die Aufheizzeit kann anhand der Flüssigkeitseigenschaften abgeschätzt werden
Angenommen, ein beispielhafter Tank enthält 600 kg einer hochviskosen chemischen Lösung mit einer spezifischen Wärmekapazität von 2,8 kJ/(kg·K). Die erforderliche Temperaturerhöhung beträgt 40 Grad.
Die fühlbare Heizenergie beträgt:
Q=mcΔT
Q=600 × 2,8 × 40=67,200 kJ
Das entspricht etwa 18,7 kWh.
Bei einer 12-kW-Heizung wäre die ideale sinnvolle -Heizzeit ungefähr:
18,7 ÷ 12=1.56 Stunden
Die tatsächliche Aufheizzeit wird aufgrund von Tankwärmeverlust, Rohrleitungen, Verdunstung, Werkstückbeladung und anderen thermischen Effekten länger sein.
Das Beispiel zeigt auch, warum bei der Auswahl des Heizgeräts die tatsächliche spezifische Wärmekapazität der chemischen Lösung berücksichtigt werden sollte, anstatt Wassereigenschaften anzunehmen.
Die Leistung sollte mit der tatsächlichen Wärmeübertragungsbedingung übereinstimmen.-
Bei hochviskosen Bädern kann die Auswahl einer Heizung mit übermäßiger Leistung zu einer schwierigen thermischen Umgebung führen.
Ein besserer Ansatz besteht darin, Folgendes auszubalancieren:
Erforderliche Heizrate
Aktiver Heizbereich
Durchschnittlicher Wärmestrom
Zirkulationskapazität
Badviskosität
Betriebstemperatur
Tankgeometrie
Anforderung an die Temperaturgleichmäßigkeit
Dabei geht es nicht nur um maximale Heizleistung. Das sinnvolle Ziel ist eine ausreichende Wärmeübertragung ohne übermäßige lokale Wärmekonzentration.
Welche Informationen sollten in die Beschaffung einbezogen werden?
Eine hochviskose chemische Anwendung sollte Folgendes bieten:
Chemische Zusammensetzung
Viskosität bei Starttemperatur
Viskosität bei Betriebstemperatur
Spezifische Wärmekapazität
Dichte
Zieltemperatur
Erforderliche Aufheizzeit
Tankabmessungen
Zirkulationsmethode
Minimaler Flüssigkeitsstand
Erforderliche Heizleistung
Verfügbare Stromversorgung
Diese Informationen ermöglichen aPTFE-Tauchsiederauf dem tatsächlichen Flüssigkeitsverhalten basieren und nicht auf einer vereinfachten Annahme auf Wasser--Basis.
Bei besonders viskosen Lösungen, eingeschränkter Zirkulation, tiefen Tanks oder großen Heizlasten können eine individuell angepasste Heizoberfläche und Heizkörpergeometrie für eine bessere Wärmeverteilung sorgen. Die endgültige Konfiguration sollte Wärmefluss, Zirkulation, Eintauchtiefe und Prozesstemperatur ausbalancieren, um eine stabile Erwärmung im gesamten Chemikalientank zu erreichen.
