V rezervoarju z različnimi nivoji tekočine (npr. šaržna obdelava, uparjalniki, rezervoarji za dušenje) bo imel predolg grelnik PFA prevelik del izpostavljen parnemu območju pri nizkih nivojih tekočine, kar bo povzročilo pregrevanje in prezgodnjo odpoved. Zahtevana dolžina grelnika je določena z minimalnim nivojem tekočine, ne z največjim. Varna zasnova ohranja izpostavljeni (območje pare) del grelnika na ali manj kot 20–25 % njegove celotne dolžine. Za minimalni nivo tekočine 500 mm je največja dolžina grelnika 500 / (1 – 0,25)=667 mm. To zagotavlja, da na najnižji ravni ostane vsaj 75 % grelnika potopljenega, izpostavljeni del pa deluje pri znižani površinski temperaturi. Če je za enakomerno ogrevanje pri največji polnitvi potreben daljši grelnik, namestite več zamaknjenih grelnikov ali uporabite grelnik z ne-enakomerno gostoto vatov (nižja izhodna moč v zgornjem območju).
Mehanizem za pregrevanje parne cone
V območju tekočine je koeficient toplotnega prehoda (h) običajno 500–5000 W/m²·K. V območju pare (zrak, para ali kisla para) h pade na 10–100 W/m²·K. Za grelnik z enakomerno vatno gostoto q (W/cm²) je površinska temperatura v območju pare T_vapor=T_ambient + q / h_vapor. Za q=3 W/cm² (30.000 W/m²) in h_vapor=30 W/m²·K, T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 stopinj – nemogoče. V resnici se grelec sam -uravnava, ko se upor povečuje s temperaturo, vendar lahko temperatura plašča PFA še vedno doseže 250–350 stopinj, kar povzroči taljenje ali resno degradacijo. Toplotni tok v območju varne pare je manjši ali enak 1,0 W/cm², kar zahteva q_vapor manjše ali enako 10.000 W/m². Za enoten grelec, q_vapor=q_liquid. Zato je edini način za varno območje pare omejiti delež izpostavljenega grelnika, tako da je efektivna površina odvajanja toplote v območju pare dovolj velika, da zmanjša dejanski tok. Toda če ima grelec enakomerno gostoto vatov, izpostavljeni del še vedno ustvarja enako moč na enoto dolžine. Dvig temperature je odvisen od h_vapor, ki je fiksen. Namesto tega je rešitev uporaba daljšega grelnika z enako skupno močjo, tako da je vatna gostota (q) nižja v celotnem grelniku. Za fiksno skupno moč P, dolžino L, q=P / (π × D × L). Povečanje L sorazmerno zmanjša q.
Metoda izračuna najmanjše dolžine grelnika
Naj:
L_min=najmanjša raven tekočine (mm)
L_heater=skupna dolžina grelnika (mm)
f_exposed=L_exposed / L_heater=(L_heater – L_min) / L_heater=delež izpostavljenosti
q_design=vatna gostota (W/cm²) glede na skupno moč in površino
Za varno delovanje območja pare mora biti toplotni tok območja pare manjši ali enak q_max_vapor=1.0 W/cm². Vendar, če ima grelnik enakomeren q, parna cona vidi enak q. Zato mora biti grelnik zasnovan tako, da je izpostavljena frakcija majhna oziroma da je skupni q dovolj nizek, da je tudi izpostavljeni del varen. Najbolj praktičen pristop: načrtovanje z nizkim skupnim q (manj kot ali enako 1,5 W/cm²) in omejitev f_exposed na manj kot ali enako 0,25.
Osnovno pravilo: L_heater Manjše ali enako L_min / (1 – f_max), kjer je f_max=največja dovoljena izpostavljena frakcija (običajno 0,20–0,25). Za L_min=500 mm, L_heater Manjši ali enak 500 / 0.75=667 mm.
Dolžina grelnika je potrebna za scenarije različnih ravni
| Najmanjša raven tekočine (mm) | Najvišja raven tekočine (mm) | Priporočena dolžina grelnika (mm) | Izpostavljena frakcija na najmanjši ravni (%) | Skupni q (W/cm²) pri 6 kW, 25 mm OD | Varnost območja pare |
|---|---|---|---|---|---|
| 500 | 2,000 | 650 | 23% | 4,7 (previsoko) | Ni varno, razen če se q zmanjša |
| 500 | 2,000 | 1,200 | 58% | 2.5 | Nevarno (izpostavljeno previsoko) |
| 500 | 2,000 | 650 (samo s 3 kW) | 23% | 2.35 | Sprejemljivo (q nizek) |
| 800 | 2,000 | 1,000 | 20% | 3.0 | Mejno (q pri meji) |
| 800 | 2,000 | 1.200 (z zmanjšano močjo) | 33% | 2,0 (zmanjšano) | Sprejemljivo |
| 1,000 | 3,000 | 1,250 | 20% | 2.4 | Dobro |
Če je zahtevana dolžina grelnika za popolno pokritost na najvišji ravni veliko daljša od varne dolžine na najnižji ravni, je rešitev več zamaknjenih grelnikov. Uporabite na primer kratek grelec (650 mm), nameščen spodaj, srednji grelec (1200 mm), nameščen višje, in dolg grelnik (2000 mm) na vrhu. Pri nizki ravni deluje le spodnji grelec; vsi delujejo, ko so polni.
Primer polja
A waste evaporator had a minimum liquid level of 600 mm and a maximum of 2,500 mm. A single 2,000 mm PFA heater was installed. At minimum level, 1,400 mm (70%) was exposed to vapor. The heater failed within 3 months. 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. Noben grelnik ni nikoli videl več kot 20 % izpostavljenosti. Vsi trije grelci so zdržali 5+ let.
Ne-enotna vatna gostota kot alternativa
Če več grelnikov ni mogoče, določite en sam grelnik z ne-enakomerno gostoto vatov: zgornjih 30 % dolžine grelnika proizvede le 20 % moči na enoto dolžine, spodnjih 70 % pa 80 %. To lahko dosežete s spreminjanjem koraka uporovne žice (glejte člen #25). Na minimalni ravni ima izpostavljeni zgornji del nižji toplotni tok, kar zmanjšuje temperaturo površine. Ta zasnova poveča proizvodne stroške za 20–30 %, vendar omogoča, da se en sam grelnik prilagodi različnim nivojem.
Zaključek: dolžina osnovnega grelnika na minimalni ravni tekočine z 20–25 % dovoljenim deležem izpostavljenosti
Da bi se izognili pregrevanju območja pare, je treba dolžino grelnika PFA za rezervoar z različno ravnjo tekočine izračunati iz najnižje ravni tekočine, ne največje. Varna zasnova ohranja izpostavljeno frakcijo na ali pod 20–25 % na najnižji ravni. Pri najmanjši ravni 500 mm je največja dolžina grelnika 650–670 mm. Če je za enakomernost postopka potreben daljši grelec, uporabite več zamaknjenih grelnikov ali grelnik z ne-enakomerno gostoto vatov. En sam dolg grelnik, ki deluje z veliko izpostavljeno frakcijo, bo odpovedal v nekaj mesecih. Raven se spreminja, vendar toleranca grelnika za izpostavljenost ne. Dimenzionirajte ga za najslabši primer ali dodajte odvečnost. Življenjska doba vašega grelnika je odvisna od najnižje ravni, ne od najvišje.
