Kemična tovarna je upravljala 2500-litrski procesni rezervoar, visok 2200 mm in premer 1200 mm. PTFE potopni grelnik je bil nameščen navpično vzdolž stene rezervoarja. Grelec je odpovedal že po sedmih mesecih delovanja, z mehurčki, skoncentriranimi na zgornji tretjini ogrevanega dela. Rezervoar ni imel mehanskega mešanja – za porazdelitev toplote se je zanašal na naravno konvekcijo. Toplotna stratifikacija, ki se je razvila v visokem rezervoarju, je ustvarila vročo plast na vrhu in hladno plast na dnu, zgornji del grelnika pa je deloval v vroči plasti.
Do toplotne stratifikacije pride, ko tekočina razvije stabilne plasti različnih temperatur. Plasti se ne mešajo, ker toplejša, manj gosta tekočina ostane na vrhu hladnejše, gostejše tekočine. V visokem rezervoarju s šibko cirkulacijo je lahko stratifikacija resna.
Zakaj se visoki rezervoarji razslojijo
Stratifikacijo poganja vzgon. Ko potopni grelnik PTFE segreje tekočino blizu stene rezervoarja, se segreta tekočina dvigne. V kratkem rezervoarju naraščajoča tekočina hitro doseže površino in se razširi ter se pomeša z glavnino. V visokem rezervoarju dvižna tekočina tvori stabilno plast na vrhu. Plast se poglablja, ko se nabira več segrete tekočine.
Temperaturna razlika med zgornjo in spodnjo plastjo lahko doseže 15–25 stopinj v visokem rezervoarju brez mešanja. Zgornja plast je toplejša in manj gosta. Spodnji sloj je hladnejši in gostejši. Vmesna ploskev med plastmi je stabilna meja, ki se upira mešanju.
| Višina rezervoarja | Razmerje med višino-in-premerom | Mešanje z naravno konvekcijo | Od vrha-do-spodaj ΔT | Tveganje stratifikacije |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Dobro | 3-6 stopinj | Nizka |
| 1.000–1.500 mm | 1:1 do 1,5:1 | Zmerno | 6-12 stopinj | Zmerno |
| 1.500–2.000 mm | 1,5:1 do 2:1 | Ubogi | 12-18 stopinj | visoko |
| >2.000 mm | >2:1 | Zelo revno | 18-25 stopinj | Zelo visoko |
Višina rezervoarja in nevarnost razslojevanja v procesnih rezervoarjih
Zakaj stratifikacija skrajša življenjsko dobo PTFE grelnika
Grelec deluje v stratificiranem okolju. Spodnji del grelnika je v hladnejši, gostejši tekočini. Zgornji del je v toplejši, manj gosti tekočini. Zgornji del deluje pri višji temperaturi kot spodnji del.
Višja temperatura pospeši vsak mehanizem razgradnje. Prepustnost, oksidacija in odlaganje vodnega kamna se povečajo s temperaturo. Zgornji del grelnika se razgradi hitreje kot spodnji del. Mehurčki se koncentrirajo na vrhu.
Stratifikacija tudi zmanjša gonilno silo za prenos toplote. Tekočina na vrhu rezervoarja je že topla, zato je temperaturna razlika med grelcem in tekočino manjša. Grelec mora biti bolj vroč, da zagotovi enako toploto, kar še pospeši razgradnjo.
Zakaj naravna konvekcija ne more premagati stratifikacije
Naravno konvekcijo poganja razlika v gostoti med segreto tekočino in hladnejšo tekočino. V visokem rezervoarju razlika v gostoti ni dovolj velika, da bi premagala stabilno plastenje. Segreta tekočina se dvigne in ostane na vrhu. Ne meša se s spodnjo hladilno tekočino.
Stratifikacija postane bolj stabilna, ko se temperaturna razlika poveča. 15-stopinjska razlika med zgornjo in spodnjo plastjo ustvari razliko v gostoti, ki se upira mešanju. Plasti ostanejo stabilne, dokler jih mehansko mešanje ali motnja ne zlomi.
Preprečevanje razslojevanja v visokih rezervoarjih
Najučinkovitejša preventiva je mehansko vznemirjanje. Obtočna črpalka, eduktor ali razpršilna cev lahko razbijejo stabilne plasti in premešajo rezervoar. Mešanje mora biti zadostno, da se prostornina rezervoarja spremeni v razumnem času. Hitrost obrata 2–4 krat na uro je primerna za večino procesnih rezervoarjev.
Grelec z manjšo gostoto v vatih zmanjša temperaturno razliko med grelnikom in tekočino. Nižja površinska temperatura zmanjša stratifikacijo,-ki jo povzroči vzgon, in upočasni razgradnjo zgornjega dela grelnika.
Več grelnikov, razporejenih na različnih višinah v rezervoarju, zagotavlja bolj enakomerno ogrevanje in zmanjšuje temperaturni gradient. Grelniki na dnu segrejejo hladnejšo tekočino, grelniki na vrhu pa vzdržujejo toplejšo tekočino. Rezultat je bolj enakomeren temperaturni profil.
| Preprečevalni ukrep | Vpliv na stratifikacijo | Izvedba | Stroški |
|---|---|---|---|
| Mehansko mešanje | Razbije plasti | Črpalka, eduktor ali razpršilnik | Zmerno |
| Nižja gostota vatov | Zmanjša plovnost | Oblikovanje grelnika | Zmerno |
| Več grelnikov na različnih višinah | Enotno ogrevanje | Postavitev grelnika | višje |
| Izolacija rezervoarja | Zmanjšuje toplotne izgube | Izolacija | Zmerno |
Preventivni ukrepi za toplotno razslojevanje v visokih procesnih rezervoarjih
Ko razslojevanje kaže na problem oblikovanja
Visok rezervoar, ki se razsloji kljub mehanskemu mešanju, pomeni, da mešanje ne doseže celotne prostornine rezervoarja ali da postavitev grelnika ni primerna za geometrijo rezervoarja. Konfiguracija potopnega grelnika iz PTFE po meri z več grelniki na različnih višinah, nižjo gostoto v vatih in razporeditvijo,-optimizirano za pretok, obravnava temeljni vzrok razslojevanja. Postopek specifikacije zahteva dimenzije rezervoarja, metodo mešanja, zahtevo glede enakomernosti temperature in zahtevano moč. Za objekte z visokimi procesnimi rezervoarji ta-specifični pristop zmanjša razslojevanje in podaljša življenjsko dobo grelnika.
