Как рассчитать необходимую длину нагревателя ПФА для резервуара с минимальным уровнем жидкости 500 мм и максимальным уровнем 2000 мм без перегрева паровой зоны?

Чрезмерно длинный нагреватель PFA будет подвергаться чрезмерному воздействию паровой зоны при низких уровнях жидкости в резервуаре с изменяющимися уровнями жидкости (например, в периодической обработке, испарителях или закалочных резервуарах), что приведет к перегреву и преждевременному выходу из строя. Минимальный уровень жидкости-а не максимальный-определяет необходимую длину нагревателя. Безопасная конструкция позволяет поддерживать открытую часть нагревателя (паровую зону) на уровне 20–25% или менее его общей длины. Максимальная длина нагревателя 500/(1 – 0,25)= 667 мм при минимальном уровне жидкости 500 мм. Это гарантирует, что открытая часть работает при более низкой температуре поверхности и что не менее 75% нагревателя остается погруженным на самый нижний уровень. Установите несколько разнесенных обогревателей или используйте обогреватель с не-неравномерной плотностью ватт (более низкая выходная мощность в верхней зоне), если для постоянного нагрева при максимальном заполнении требуется более длинный обогреватель.

Механизм перегрева паровой зоны
Коэффициент теплопередачи (h) в жидкой зоне обычно составляет от 500 до 5000 Вт/м²·К. В паровой зоне (воздух, пар или пары кислоты) H снижается до 10–100 Вт/м²·К. Температура поверхности в паровой зоне обогревателя с равномерной плотностью ватт q (Вт/см²) равна T_vapor=T_ambient + q/h_vapor. T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 градусов невозможна для q=3 Вт/см² (30 000 Вт/м²) и h_vapor=30 Вт/м²·К. Температура оболочки из PFA все равно может превышать 250–350 градусов, что может привести к плавлению или серьезному повреждению, хотя нагреватель действительно -саморегулируется, поскольку сопротивление увеличивается с температурой. Поскольку безопасный тепловой поток паровой зоны меньше или равен 1,0 Вт/см², q_vapor должен быть меньше или равен 10 000 Вт/м². q_vapor=q_liquid для равномерного нагревателя. Чтобы гарантировать, что эффективная площадь рассеивания тепла в паровой зоне достаточно велика для снижения фактического потока, единственным методом обеспечения безопасности паровой зоны является ограничение открытой части нагревателя. Однако открытая часть по-прежнему производит такое же количество электричества на единицу длины, при условии, что нагреватель имеет одинаковую плотность ватт. Повышение температуры зависит от фиксированного значения h_vapor. Вместо этого можно использовать более длинный нагреватель с той же общей мощностью, чтобы уменьшить плотность ватт (q) во всем нагревателе. q=P/(π × D × L) для заданной полной мощности P и длины L. Q уменьшается пропорционально увеличению L.

Метод определения минимальной длины нагревателя Пусть:

L_min — минимальный уровень жидкости в миллиметрах.

L_heater — общая длина нагревателя (мм).

f_expose=L_expose / L_heater=процент воздействия=(L_heater – L_min) / L_heater

q_design — это плотность ватт (Вт/см²), определяемая площадью поверхности и общей мощностью.

Для безопасного функционирования паровой зоны тепловой поток паровой зоны должен быть меньше или равен q_max_vapor=1.0 Вт/см². С другой стороны, паровая зона испытывает тот же q, если нагреватель имеет равномерный q. В результате нагреватель должен быть изготовлен с небольшой открытой частью или низким общим q, чтобы даже открытая часть была безопасной. Наиболее разумная стратегия — уменьшить f_expose до значения менее или равного 0,25 и спроектировать с низким общим q (менее или равно 1,5 Вт/см²).

Как правило, L_heater < L_min / (1 – f_max), где f_max — максимально допустимая экспонированная фракция (обычно между 0,20 и 0,25). L_heater Меньше или равно 500/0.75=667 мм для L_min=500 мм.

Длина нагревателя, необходимая для ситуаций на разных уровнях
Минимальный уровень жидкости (мм)Максимальный уровень жидкости (мм)Рекомендуемая длина нагревателя (мм) Минимальный уровень Открытая фракция (%)Общий q (Вт/см²) при 6 кВт, наружный диаметр 25 мм Зона безопасности паров 500 2,000 650 23% 4,7 (слишком высокая) Небезопасно, если q не уменьшено 500 2,000 1,200 58% 2,5 Небезопасно (слишком высокое воздействие) 500 2,000 650 (только с 3 кВт) 23% 2,35 Допустимо (q низкая) 800 2,000 1,000 20% 3,0 Маргинальное (q при пределе) 800 2,000 1,200 (с пониженной мощностью) 33% 2,0 (понижено) Допустимо 1,000 3,000 1,250 20% 2,4 Хорошо
Несколько расположенных в шахматном порядке нагревателей являются ответом, если необходимая длина нагревателя для полного покрытия на максимальном уровне значительно превышает безопасную длину на минимальном уровне. Например, расположите среднюю каменку (1200 мм) выше, длинную (2000 мм) вверху и короткую (650 мм) внизу. При низком уровне работает только нижний нагреватель; когда он заполнен, все они работают.

Пример в полевых условиях
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 >1800 мм. Ни один обогреватель никогда не видел воздействия более 20%. Все три обогревателя прослужили 5+ лет.

Не-неравномерная плотность ватт как альтернатива
Если использование нескольких нагревателей практически невозможно, укажите один нагреватель с не-неравномерной плотностью ватт: верхние 30 % длины нагревателя обеспечивают только 20 % мощности на единицу длины, а нижние 70 % — 80 %. Это можно сделать, изменив шаг резистивной проволоки (см. статью № 25). Открытая верхняя часть имеет уменьшенный тепловой поток на минимальном уровне, что снижает температуру поверхности. Хотя такая конструкция увеличивает производственные затраты на 20–30%, она позволяет одному нагревателю работать с разными настройками.

В заключение длина базового нагревателя с минимальным уровнем жидкости 20–25 % с учетом воздействия.
Во избежание перегрева паровой зоны длину подогревателя ПФА для резервуара с изменяющимся уровнем жидкости необходимо определять от минимального уровня жидкости, а не от максимального. Безопасная конструкция позволяет поддерживать процент воздействия на минимальном уровне 20–25% или ниже. Максимальная длина нагревателя составляет 650–670 мм при минимальном уровне 500 мм. Используйте нагреватель с не-неравномерной плотностью мощности или несколько нагревателей, расположенных в шахматном порядке, если для однородности процесса требуется более длинный нагреватель. В течение нескольких месяцев одиночный длинный обогреватель с высокой открытой фракцией выйдет из строя. Допуск воздействия нагревателя не меняется в отличие от уровня. Добавьте избыточность или измените размер на наихудший-сценарий. Самый низкий уровень, а не самый высокий, определяет, как долго прослужит ваш обогреватель.