Jak vypočítat požadovanou délku ohřívače PFA pro nádrž s minimální hladinou kapaliny 500 mm a maximální hladinou 2 000 mm bez přehřívání parní zóny?

Ohřívač PFA, který je příliš dlouhý, bude mít nadměrné množství vystavené parní zóně při nízkých hladinách kapaliny v nádrži s měnícími se hladinami kapaliny (jako je dávkové zpracování, výparníky nebo zhášecí nádrže), což vede k přehřátí a předčasnému selhání. Minimální hladina kapaliny-spíše než maximální-určuje potřebnou délku ohřívače. Bezpečná konstrukce udržuje exponovanou část ohřívače (zónu páry) na nebo pod 20–25 % její celkové délky. Maximální délka ohřívače je 500 / (1 – 0,25)=667 mm pro minimální hladinu kapaliny 500 mm. To zaručuje, že exponovaná část běží při nižší povrchové teplotě a že alespoň 75 % ohřívače zůstane ponořeno na nejnižší úrovni. Nainstalujte několik odsazených ohřívačů nebo použijte ohřívač s-nestejnoměrnou hustotou wattů (nižší výkon v horní zóně), pokud je pro konzistentní ohřev při maximálním naplnění vyžadován delší ohřívač.

Mechanismus přehřátí parní zóny
Součinitel prostupu tepla (h) v kapalné zóně je obvykle mezi 500 a 5 000 W/m²·K. H se snižuje na 10–100 W/m²·K v parní zóně (vzduch, pára nebo kyselé páry). Povrchová teplota v parní zóně ohřívače s jednotnou wattovou hustotou q (W/cm²) je T_vapor=T_ambient + q / h_vapor. T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 stupňů je nemožné pro q=3 W/cm² (30 000 W/m²) a h_vapor=30 W/m²·K. Teplota pláště PFA může stále překročit 250–350 stupňů, což by mohlo vést k roztavení nebo vážnému poškození, i když se topné těleso skutečně samo{26}}reguluje, když s teplotou stoupá odpor. Protože bezpečný tepelný tok zóny páry je menší nebo roven 1,0 W/cm², q_vapor musí být menší nebo roven 10 000 W/m². q_vapor=q_liquid pro jednotný ohřívač. Aby se zajistilo, že efektivní plocha rozptylu tepla v parní zóně je dostatečně velká, aby se snížil skutečný tok, jediným způsobem, jak udržet parní zónu v bezpečí, je omezit část vystaveného ohřívače. Odkrytá část však stále produkuje stejné množství elektřiny na jednotku délky za předpokladu, že ohřívač má jednotnou hustotu wattů. Nárůst teploty je závislý na pevné h_vapor. Spíše lze použít delší ohřívač se stejným celkovým výkonem ke snížení hustoty wattů (q) v celém ohřívači. q=P / (π × D × L) pro nastavený celkový výkon P a délku L. Q klesá úměrně tomu, jak se L zvyšuje.

Způsob stanovení minimální délky ohřívače Nechte:

L_min je nejnižší hladina kapaliny v milimetrech.

L_heater je celková délka ohřívače (mm).

f_exposed=L_exposed / L_heater=procento vystavené=(L_heater – L_min) / L_heater

q_design je hustota wattů (W/cm²) určená plochou povrchu a celkovým výkonem.

Tepelný tok parní zóny musí být menší nebo roven q_max_vapor=1.0 W/cm² pro bezpečné fungování parní zóny. Na druhé straně parní zóna zažívá stejné q, pokud má ohřívač rovnoměrné q. V důsledku toho musí být ohřívač vyroben s malou exponovanou frakcí nebo nízkým celkovým q, takže i exponovaná část je bezpečná. Nejrozumnější strategií je snížit f_exposed na méně než nebo rovnou 0,25 a navrhnout s nízkým celkovým q (méně než nebo rovno 1,5 W/cm²).

Obecně platí, že L_heater < L_min / (1 – f_max), kde f_max je maximální povolená exponovaná frakce (obvykle mezi 0,20 a 0,25). L_heater Menší nebo rovno 500 / 0.75=667 mm pro L_min=500 mm.

Délka ohřívače potřebná pro různé úrovně úrovní
Minimální hladina kapaliny (mm)Maximální hladina kapaliny (mm)Doporučená délka ohřívače (mm) Minimální hladina vystavená frakce (%)Celkem q (W/cm²) při 6 kW, vnější průměr 25 mm Bezpečnost parní zóny 500 2,000 650 23% 4,7 (příliš vysoká)Nebezpečné 500 2,000 1,200 58% 2,5 Nebezpečné (vystaveno příliš vysoko) 500 2,000 650 (pouze s 3 kW) 23 % 2,35 Přijatelné (q nízké) 800 2,000 1,000 20% 3,0 mezní hodnota {{08}, 20} {{08}, 20} (se sníženým výkonem) 33 % 2,0 (snížený výkon) Přijatelné 1,000 3,000 1,250 20% 2,4 Dobré
Vícenásobné stupňovité ohřívače jsou odpovědí, pokud je nezbytná délka ohřívače pro úplné pokrytí na maximální úrovni výrazně delší než bezpečná délka na minimální úrovni. Umístěte například střední topné těleso (1200 mm) výše, dlouhé topné těleso (2000 mm) nahoře a krátké topné těleso (650 mm) dole. Když je hladina nízká, funguje pouze spodní ohřívač; když je plná, všechny fungují.

Příklad v poli
The minimum liquid level in a waste evaporator was 600 mm, while the highest was 2,500 mm. There was only one 2,000 mm PFA heater installed. 1,400 mm (70%) was exposed to vapor at the lowest level. Within three months, the heater broke down. The plant replaced it with three heaters: 600 mm (1.5 kW), 1,200 mm (2 kW), and 2,000 mm (2.5 kW), each with level sensors. The 600 mm heater only turned on when level >650 mm. The 2,000 mm heater only turned on when level >1 800 mm. Žádný ohřívač nikdy nezaznamenal více než 20% expozici. Všechny tři ohřívače vydržely 5+ let.

Nejednotná wattová hustota jako alternativa
Pokud není možné použít více ohřívačů, určete jeden ohřívač s nerovnoměrnou hustotou wattů: horních 30 % délky ohřívače poskytuje pouze 20 % výkonu na jednotku délky, zatímco spodních 70 % produkuje 80 %. To lze provést změnou rozteče odporového drátu (viz článek #25). Exponovaná horní oblast má snížený tepelný tok na minimální úrovni, což snižuje povrchovou teplotu. Přestože tato konstrukce zvyšuje výrobní náklady o 20–30 %, umožňuje, aby jeden ohřívač zvládl různá nastavení.

Na závěr, délka základního ohřívače s minimální hladinou kapaliny 20–25 % přípustné pro expozici
Aby se zabránilo přehřátí parní zóny, musí být délka ohřívače PFA pro nádrž s měnící se hladinou kapaliny určena z minimální hladiny kapaliny, nikoli z maximální. Bezpečný design udržuje exponované procento na nebo pod 20–25 % na minimální úrovni. Maximální délka ohřívače je 650–670 mm při minimální výšce 500 mm. Pokud je pro rovnoměrnost procesu vyžadován delší ohřívač, použijte ohřívač s nestejnoměrnou hustotou wattů nebo několik stupňovitých ohřívačů. Během měsíců se jediný dlouhý ohřívač s vysokou exponovanou frakcí porouchá. Tolerance expozice ohřívače se nemění stejně jako úroveň. Přidejte redundanci nebo ji upravte pro nejhorší{12}}případ. Nejnižší úroveň, nikoli nejvyšší, určuje, jak dlouho váš ohřívač vydrží.