Változó folyadékszintű tartályokban (pl. szakaszos feldolgozás, elpárologtatók, oltótartályok) a túl hosszú PFA fűtőtest túlzott része ki van téve a gőzzónának alacsony folyadékszint mellett, ami túlmelegedést és idő előtti meghibásodást okoz. A szükséges fűtőtest hosszát a minimális folyadékszint határozza meg, nem a maximum. A biztonságos kialakításnak köszönhetően a fűtőtest szabadon lévő (gőzzóna) része a teljes hosszának 20-25%-ában vagy az alatt marad. 500 mm-es minimális folyadékszint esetén a fűtőtest maximális hossza 500 / (1–0,25)=667 mm. Ez biztosítja, hogy a legalacsonyabb szinten a fűtőelem legalább 75%-a víz alatt maradjon, és a kitett rész csökkentett felületi hőmérsékleten működjön. Ha hosszabb fűtőtestre van szükség az egyenletes fűtéshez maximális feltöltéssel, akkor több lépcsőzetes fűtőtestet szereljen fel, vagy használjon nem-egyenletes wattsűrűségű fűtőelemet (alacsonyabb teljesítmény a felső zónában).
A gőzzóna túlmelegedési mechanizmusa
A folyadékzónában a hőátbocsátási tényező (h) jellemzően 500-5000 W/m²·K. A gőzzónában (levegő, gőz vagy savas gőz) h 10–100 W/m²·K-ra csökken. Egyenletes q (W/cm²) wattsűrűségű fűtőberendezésnél a gőzzónában a felületi hőmérséklet T_vapor=T_környezet + q / h_gőz. q=3 W/cm² (30 000 W/m²) és h_vapor=30 W/m²·K, T_gőz=80 + 30 000/30=1,080 fok esetén – lehetetlen. A valóságban a fűtő{24}}szabályozza magát, amikor az ellenállás a hőmérséklettel együtt növekszik, de a PFA-burkolat hőmérséklete így is elérheti a 250–350 fokot, ami olvadást vagy súlyos leromlást okoz. A biztonságos gőzzóna hőárama legfeljebb 1,0 W/cm², amihez q_vapor szükséges, legfeljebb 10 000 W/m². Egyenletes fűtéshez q_vapor=q_liquid. Ezért a gőzzóna biztonságos megőrzésének egyetlen módja az, hogy korlátozzuk a kitett fűtőelem hányadát, hogy a gőzzónában a tényleges hőelvezetési terület elég nagy legyen a tényleges fluxus csökkentéséhez. De ha a fűtőelem egyenletes wattsűrűségű, a szabadon lévő rész továbbra is ugyanazt a teljesítményt állítja elő egységnyi hosszonként. A hőmérséklet-emelkedés a h_vaportól függ, ami fix. Ehelyett a megoldás egy hosszabb, azonos összteljesítményű fűtőelem használata, így a wattsűrűség (q) a teljes fűtőelemben alacsonyabb. Rögzített P összteljesítmény esetén L hossz, q=P / (π × D × L). L növelése arányosan csökkenti q-t.
Számítási módszer a fűtőelem minimális hosszához
Legyen:
L_min=minimális folyadékszint (mm)
L_heater=teljes fűtőelem hossza (mm)
f_exposed=L_exposed / L_heater=(L_heater – L_min) / L_heater=frakció exponált
q_design=wattsűrűség (W/cm²) a teljes teljesítmény és felület alapján
A gőzzóna biztonságos működéséhez a gőzzóna hőáramának kisebbnek vagy egyenlőnek kell lennie, mint q_max_vapor=1.0 W/cm². Ha azonban a fűtőelem egyenletes q-val rendelkezik, akkor a gőzzóna ugyanazt a q-t látja. Ezért a fűtőtestet úgy kell megtervezni, hogy a kitett rész kicsi legyen, vagy a teljes q elég alacsony ahhoz, hogy még a kitett szakasz is biztonságos legyen. A legpraktikusabb megközelítés: a tervezés alacsony általános q-val (kevesebb, mint 1,5 W/cm²), és az f_exposed korlátja 0,25 vagy kisebb.
Ökölszabály: L_heater Kisebb vagy egyenlő, mint L_min / (1 – f_max), ahol f_max=maximálisan megengedett expozíciós arány (általában 0,20–0,25). L_min=500 mm, L_heater esetén kisebb vagy egyenlő, mint 500 / 0.75=667 mm.
Különféle szintű forgatókönyvekhez szükséges fűtőelem hossza
| Minimális folyadékszint (mm) | Maximális folyadékszint (mm) | A fűtőelem javasolt hossza (mm) | Exponált töredék minimális szinten (%) | Teljes q (W/cm²) 6 kW-nál, 25 mm külső átmérőnél | Gőzzóna biztonság |
|---|---|---|---|---|---|
| 500 | 2,000 | 650 | 23% | 4,7 (túl magas) | Nem biztonságos, hacsak q nem csökkenti |
| 500 | 2,000 | 1,200 | 58% | 2.5 | Nem biztonságos (túl magasan van kitéve) |
| 500 | 2,000 | 650 (csak 3 kW-tal) | 23% | 2.35 | Elfogadható (q alacsony) |
| 800 | 2,000 | 1,000 | 20% | 3.0 | Marginális (q a határnál) |
| 800 | 2,000 | 1200 (lecsökkentett teljesítménnyel) | 33% | 2.0 (csökkentett) | Elfogadható |
| 1,000 | 3,000 | 1,250 | 20% | 2.4 | Jó |
Ha a maximális szinten a teljes lefedettséghez szükséges fűtőtest hossza jóval hosszabb, mint a minimális szinten biztonságos hossz, a megoldás a több lépcsőzetes fűtőelem. Használjon például egy rövid fűtőtestet (650 mm) alul, egy közepes fűtőtestet (1200 mm) magasabbra, és egy hosszú fűtőt (2000 mm) a tetejére. Csak az alsó fűtés működik, ha a szint alacsony; mindegyik megtelt állapotban működik.
Mezőpélda
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 >1800 mm. Egyetlen fűtőberendezés sem látott 20%-nál nagyobb expozíciót. Mindhárom fűtőberendezés 5+ évig bírta.
Nem{0}}egyenletes wattsűrűség alternatívaként
Ha több fűtőelem nem lehetséges, adjon meg egyetlen fűtőtestet nem-egyenletes wattsűrűséggel: a fűtőtest hosszának felső 30%-a csak a hosszegységenkénti teljesítmény 20%-át adja, míg az alsó 70%-a 80%-ot. Ezt az ellenálláshuzal menetemelkedésének változtatásával érheti el (lásd #25. cikk). Minimális szinten a szabadon lévő felső rész alacsonyabb hőárammal rendelkezik, ami csökkenti a felületi hőmérsékletet. Ez a kialakítás 20-30%-kal növeli a gyártási költségeket, de lehetővé teszi, hogy egyetlen fűtőberendezés különböző szinteket tudjon kezelni.
Következtetés: Az alapfűtő hossza minimális folyadékszint mellett 20–25%-os expozíciós engedéllyel
A gőzzóna túlmelegedésének elkerülése érdekében a változó folyadékszintű tartály PFA-fűtőjének hosszát a minimális folyadékszintből kell kiszámítani, nem a maximumból. A biztonságos kialakítás 20-25% vagy az alatt tartja a kitett frakciót a minimális szinten. Minimális 500 mm-es szint esetén a maximális fűtőhossz 650–670 mm. Ha hosszabb fűtőelemre van szükség a folyamat egyenletessége érdekében, használjon több lépcsőzetes fűtőelemet vagy egy nem-egyenletes wattsűrűségű fűtőelemet. Egyetlen hosszú fűtőelem, amely nagy kitett frakcióval működik, hónapokon belül meghibásodik. A szint változó, de a fűtőelem expozíciótűrése nem. Méretezze a legrosszabb esetre, vagy adjon hozzá redundanciát. A fűtés élettartama a legalacsonyabb fokozattól függ, nem a legmagasabbtól.
