Egy vegyi üzemben egy 2500 -literes technológiai tartály 2200 mm magas és 1200 mm átmérőjű volt. Egy PTFE merülő fűtőtestet szereltek fel függőlegesen a tartály falára. A fűtés mindössze hét hónapos üzemidő után meghibásodott, a fűtött rész felső harmadára koncentrálódott a hólyagosodás. A tartályban nem volt mechanikus keverés – természetes konvekcióra támaszkodott a hő elosztására. A magas tartályban kialakult termikus rétegződés felül forró, alul hideg réteget hozott létre, a meleg rétegben pedig a fűtőtest felső része működött.
A termikus rétegződés akkor következik be, amikor egy folyadék különböző hőmérsékletű stabil rétegeket hoz létre. A rétegek nem keverednek, mert a melegebb, kevésbé sűrű folyadék a hidegebb, sűrűbb folyadék tetején marad. Magas, gyenge keringésű tartályban a rétegződés súlyos lehet.
Miért rétegeződnek a magas tankok?
A rétegződést a felhajtóerő hajtja. Amikor egy PTFE merülő fűtőelem felmelegíti a folyadékot a tartály falához közel, a felmelegedett folyadék felemelkedik. Egy rövid tartályban a felszálló folyadék gyorsan eléri a felszínt és szétterül, keveredik a tömeggel. Egy magas tartályban a felszálló folyadék stabil réteget képez a tetején. A réteg mélyül, ahogy több felmelegedett folyadék halmozódik fel.
A felső és alsó réteg közötti hőmérsékletkülönbség egy magas tartályban keverés nélkül elérheti a 15-25 fokot. A felső réteg melegebb és kevésbé sűrű. Az alsó réteg hűvösebb és sűrűbb. A rétegek közötti interfész stabil határvonal, amely ellenáll a keveredésnek.
| Tartály magassága | Magasság-–-átmérő arány | Természetes konvekciós keverés | Felül-–-lent ΔT | Rétegződési kockázat |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Jó | 3-6 fok | Alacsony |
| 1000-1500 mm | 1:1-től 1,5:1-ig | Mérsékelt | 6-12 fok | Mérsékelt |
| 1500-2000 mm | 1,5:1-től 2:1-ig | Szegény | 12-18 fok | Magas |
| >2000 mm | >2:1 | Nagyon szegény | 18-25 fok | Nagyon magas |
Tartálymagasság és rétegződési kockázat a technológiai tartályokban
Miért rövidíti le a rétegződés a PTFE fűtőelem élettartamát?
A fűtőberendezés rétegzett környezetben működik. A fűtőelem alsó része a hidegebb, sűrűbb folyadékban van. A felső rész a melegebb, kevésbé sűrű folyadékban van. A felső rész magasabb hőmérsékleten működik, mint az alsó rész.
A magasabb hőmérséklet minden lebomlási mechanizmust felgyorsít. A permeáció, az oxidáció és a vízkőlerakódás mind növekszik a hőmérséklettel. A fűtőelem felső része gyorsabban bomlik le, mint az alsó része. A hólyagosodás a tetején koncentrálódik.
A rétegződés csökkenti a hőátadás hajtóerejét is. A tartály tetején lévő folyadék már meleg, így kisebb a hőmérsékletkülönbség a fűtőelem és a folyadék között. A fűtőberendezésnek melegebben kell működnie, hogy ugyanazt a hőt szállítsa, ami tovább gyorsítja a lebomlást.
Miért nem tudja legyőzni a természetes konvekció a rétegződést?
A természetes konvekciót a fűtött folyadék és a hűtőfolyadék közötti sűrűségkülönbség hajtja. Magas tartályban a sűrűségkülönbség nem elég nagy ahhoz, hogy leküzdje a stabil rétegződést. A felmelegített folyadék felemelkedik és a tetején marad. Nem keveredik az alatta lévő hűtőfolyadékkal.
A rétegződés a hőmérséklet-különbség növekedésével stabilabbá válik. A felső és alsó réteg közötti 15 fokos különbség olyan sűrűségkülönbséget hoz létre, amely ellenáll a keveredésnek. A rétegek mindaddig stabilak maradnak, amíg mechanikai felrázás vagy zavar meg nem töri őket.
A rétegződés megelőzése magas tartályokban
A leghatékonyabb megelőzés a mechanikus keverés. Egy keringető szivattyú, egy kifolyócső vagy egy átfolyócső feltörheti a stabil rétegeket és összekeverheti a tartályt. A keverésnek elegendőnek kell lennie a tartály térfogatának ésszerű időn belüli megfordításához. Az óránkénti 2-4-szeres fordulatszám elegendő a legtöbb technológiai tartályhoz.
Az alacsonyabb wattsűrűségű fűtőberendezés csökkenti a fűtőelem és a folyadék közötti hőmérsékletkülönbséget. Az alsó felületi hőmérséklet csökkenti a felhajtóerő{1}}vezérelt rétegződést, és lassítja a felső fűtőrész leépülését.
A tartályban különböző magasságokban elhelyezett több fűtőelem egyenletesebb fűtést biztosít és csökkenti a hőmérséklet gradienst. Az alsó fűtőtestek melegítik a hűtőfolyadékot, a felső fűtőtestek pedig fenntartják a melegebb folyadékot. Az eredmény egy egyenletesebb hőmérsékleti profil.
| Megelőzési intézkedés | Hatás a rétegződésre | Végrehajtás | Költség |
|---|---|---|---|
| Mechanikus keverés | Felbontja a rétegeket | Szivattyú, szívófej vagy szívófej | Mérsékelt |
| Alacsonyabb wattsűrűség | Csökkenti a felhajtóerőt | Fűtőberendezés kialakítása | Mérsékelt |
| Több fűtőtest különböző magasságokban | Egységes fűtés | A fűtés elrendezése | Magasabb |
| Tartályszigetelés | Csökkenti a hőveszteséget | Szigetelés | Mérsékelt |
Megelőző intézkedések a termikus rétegződéshez magas technológiai tartályokban
Amikor a rétegződés tervezési problémát jelez
A mechanikus keverés ellenére rétegesedő magas tartály azt jelzi, hogy a keverés nem éri el a teljes tartálytérfogatot, vagy hogy a fűtőelem elrendezése nem illeszkedik a tartály geometriájához. Az egyéni PTFE merülőfűtő-konfiguráció több különböző magasságú fűtőtesttel, alacsonyabb watt-sűrűséggel és áramlás-optimalizált elrendezéssel{1}}megoldja a rétegződés kiváltó okát. A specifikációs folyamat megköveteli a tartály méreteit, a keverési módszert, a hőmérséklet egyenletességi követelményét és a szükséges teljesítményt. A magas technológiai tartályokkal rendelkező létesítményeknél ez az alkalmazás-specifikus megközelítés csökkenti a rétegződést és meghosszabbítja a fűtőberendezés élettartamát.
