Ein Chemikalientank kann über eine ausreichende Heizleistung verfügen und dennoch Schwierigkeiten haben, eine gleichmäßige Prozesstemperatur zu erreichen. Ein häufiger Grund ist eine unzureichende Flüssigkeitszirkulation um den Körper herumPTFE-Tauchsieder.
Wenn erhitzte Flüssigkeit in der Nähe der Heizoberfläche bleibt, anstatt sich durch den Tank zu bewegen, entstehen Temperaturgradienten. Der Controller meldet möglicherweise die Zieltemperatur, während an anderer Stelle im Prozesstank kältere Bereiche verbleiben.
Bei chemischen Geräten sollten daher die Auswahl der Heizung und die Flüssigkeitsbewegung als ein thermisches Designproblem behandelt werden.
Die Wärme muss von der Heizung wegfließen
Ein Tauchsieder wandelt an seiner aktiven Oberfläche elektrische Energie in thermische Energie um. Die umgebende Flüssigkeit muss diese Wärme dann abführen.
Eine vereinfachte Wärmeübertragungsbeziehung-ist:
Q=hAΔT
WoQwird Wärme übertragen,hist der effektive Wärmeübertragungskoeffizient,Aist die Heizfläche undΔTist der Temperaturunterschied zwischen der Heizfläche und der umgebenden Flüssigkeit.
Die Flüssigkeitszirkulation beeinflussth. Wenn die Umströmung des Heizgeräts schwach ist, kann die thermische Grenzschicht dicker werden und die Wärmeübertragung weniger effektiv werden.
Die Heizung verbraucht möglicherweise immer noch die erwartete elektrische Leistung, die Temperaturverteilung im Tank kann jedoch ungleichmäßig werden.
Natürliche Konvektion reicht nicht immer aus
Wenn Flüssigkeit in der Nähe des Heizgeräts wärmer wird, kann sich ihre Dichte ändern und es kann zu natürlicher Konvektion kommen. Dadurch kann eine Zirkulation ohne Pumpe entstehen.
Die Wirksamkeit der natürlichen Konvektion hängt jedoch von den Flüssigkeitseigenschaften, dem Temperaturunterschied, der Tankgeometrie, der Ausrichtung der Heizung und der Viskosität ab.
Eine Flüssigkeit mit niedriger-Viskosität kann in einem tiefen Tank relativ leicht zirkulieren. Eine konzentrierte oder viskose chemische Lösung kann sich unterschiedlich verhalten.
Aus diesem Grund kann von einer Heizung, die in einem chemischen Bad gute Leistung erbringt, nicht automatisch erwartet werden, dass sie in einem anderen Bad mit anderen Flüssigkeitseigenschaften für die gleiche Temperaturgleichmäßigkeit sorgt.
Mechanische Zirkulation verändert die thermische Umgebung
Pumpen, Rührwerke und Prozessabläufe können die Flüssigkeitsbewegung um die Heizfläche erheblich erhöhen.
Der wichtige Gesichtspunkt ist nicht nur die Nennfördermenge der Pumpe. Auch die Strömungsrichtung und die örtliche Geschwindigkeit um die Heizung herum spielen eine Rolle.
Beispielsweise kann eine Rücklaufleitung eine starke Zirkulation nahe einer Seite des Tanks erzeugen, während die gegenüberliegende Seite relativ stagniert.
Ebenso können bei einem Heizgerät, das direkt vor einem starken Entladungsstrom installiert ist, ganz andere Wärmeübertragungsbedingungen auftreten als bei einem anderen Heizgerät, das in einer Ecke mit geringem Durchfluss positioniert ist.
Daher sollte der Standort des Heizgeräts zusammen mit dem Zirkulationsmuster bewertet werden.
Die Position der Heizung kann die Zirkulation beeinträchtigen
A PTFE-TauchsiederWenn es zu nahe an der Tankwand installiert wird, kann die Flüssigkeitsbewegung um einen Teil der Heizfläche herum eingeschränkt werden.
Interne Rohre und Strukturbauteile können ähnliche Totzonen erzeugen.
Für einen kompakten Tank sollten mehrere Abmessungen überprüft werden:
Abstand zwischen Heizung und-Wand
Abstand zwischen Heizung- und-Unterseite
Abstand von internen Rohrleitungen
Abstand zu Zirkulationsauslässen
Abstand von Werkstückladebereichen
Ausrichtung des aktiven Heizabschnitts
Ziel ist es, einen ausreichenden Flüssigkeitsaustausch rund um die aktive Oberfläche aufrechtzuerhalten, ohne unnötige Strömungseinschränkungen zu verursachen.
Heizfläche und Zirkulation arbeiten zusammen
Betrachten Sie einen beispielhaften Heizbedarf von 12 kW.
| Heizungsanordnung | Leistung | Aktiver Bereich | Durchschnittlicher Wärmefluss | Kreislaufzustand |
|---|---|---|---|---|
| Kompaktzone | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m² | Schwach |
| Verteilte Zone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Mäßig |
| Verteilte Zone | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m² | Stark |
Der durchschnittliche Wärmestrom wird berechnet aus:
q = P/A
Diese Zahlen dienen eher der Veranschaulichung als allgemeingültigen Betriebsgrenzen.
Der Vergleich zeigt, warum Leistung allein nicht die thermische Leistung beschreibt. Dieselben 12 kW können je nach Heizfläche und Flüssigkeitsbewegung unterschiedliche Betriebsbedingungen erzeugen.
Eine schlechte Zirkulation kann die Temperaturregelung beeinträchtigen
Angenommen, ein Temperatursensor ist in einem gut{0}}durchmischten Abschnitt des Tanks positioniert, während sich die Heizung in einem Bereich mit geringem{1}}Durchfluss befindet.
Der Sensor erreicht möglicherweise langsam die Zieltemperatur, was dazu führt, dass der Regler die Heizung länger aufrechterhält. In der Zwischenzeit kann die Flüssigkeit, die die Heizung unmittelbar umgibt, erheblich heißer werden als die gemessene Massentemperatur.
Die umgekehrte Situation kann auch eintreten, wenn der Sensor in der Nähe eines starken Zirkulationswegs platziert ist, während ein anderer Bereich weiterhin schwach durchmischt ist.
Die Temperaturkartierung an mehreren Punkten kann dabei helfen, diese Bedingungen während der Inbetriebnahme zu identifizieren.
Die Viskosität macht die Zirkulation wichtiger
Die chemische Konzentration kann die Viskosität beeinflussen. Mit zunehmender Viskosität kann die Flüssigkeitsbewegung schwieriger werden und die natürliche Konvektion kann schwächer werden.
Dies kann die Bedeutung der mechanischen Zirkulation erhöhen, insbesondere wenn eine erhebliche Heizleistung erforderlich ist.
Daher sollte die Dimensionierung eines Prozesses mit hoher Viskosität nicht unter Verwendung wasser-ähnlicher Zirkulationsannahmen erfolgen, ohne die tatsächlichen Flüssigkeitseigenschaften zu überprüfen.
Bei der thermischen Auslegung sollten Dichte, Viskosität, spezifische Wärmekapazität, Betriebstemperatur und Zirkulationsmethode gemeinsam berücksichtigt werden.
So bewerten Sie die Auflage während der Auswahl
In die Gerätespezifikation können mehrere praktische Fragen aufgenommen werden:
Wie hoch ist die normale Prozessflussrate?
Wo tritt Flüssigkeit in den Tank ein und wo verlässt er ihn?
Ist mechanisches Rühren verfügbar?
In welchen Bereichen des Beckens ist die Zirkulation schwach?
Wo wird die Heizung installiert?
Wo wird die Temperatur gemessen?
Ändert sich die Viskosität erheblich mit der Temperatur oder Konzentration?
Anhand dieser Angaben lässt sich feststellen, ob eine verteilte Heizzone oder mehrere kleinere Zonen besser geeignet sind.
Bevor die Leistung erhöht wird, sollte die Zirkulation berücksichtigt werden
Wenn ein Tank eine schlechte Temperaturgleichmäßigkeit aufweist, kann eine einfache Erhöhung der Heizleistung die lokale Wärmebelastung erhöhen, ohne das zugrunde liegende Zirkulationsproblem zu lösen.
Ein besserer Ansatz besteht darin, die Heizoberfläche, die Position des Heizgeräts, die Strömungsrichtung, die Position des Temperatursensors und die Flüssigkeitseigenschaften gemeinsam zu untersuchen.
Für einenPTFE-TauchsiederEine effiziente Wärmeübertragung hängt nicht nur von der elektrischen Eingabe ab. Eine angemessene Flüssigkeitsbewegung trägt dazu bei, Wärme von der PTFE-Oberfläche in das Prozessvolumen zu transportieren und sorgt für eine gleichmäßigere Badtemperatur.
Wenn die Zirkulation eingeschränkt ist, die Tankgeometrie unregelmäßig ist oder die chemische Lösung eine hohe Viskosität aufweist, kann eine individuelle Heizanordnung entsprechend dem tatsächlichen Strömungsmuster, der aktiven Heizfläche, der Eintauchtiefe und der erforderlichen Prozesstemperatur entwickelt werden.
