V nádržích s přepážkou-používaných pro míchání, chemické reakce a přenos tepla- vytváří prostor mezi přepážkou a stěnou nádrže obtokový kanál. Pokud je do tohoto kanálu umístěn ohřívač PFA, musí být rychlost proudění kolem ohřívače dostatečná pro udržení přenosu tepla a zabránění lokálnímu přehřátí. Minimální rychlost proudění pro ohřívače PFA ve vodním provozu je 0,3–0,5 m/s, aby se povrchová teplota PFA udržela v rozmezí 10 stupňů objemové tekutiny při typických wattových hustotách (3–5 W/cm²). Pro danou rozteč přepážky (mezera mezi okrajem přepážky a stěnou nádrže) musí být průměr ohřívače zvolen tak, aby plocha průřezu obtokového kanálu kolem ohřívače byla dostatečně velká, aby byla zachována rychlost. Pravidlo: vnější průměr ohřívače by měl být menší nebo roven 50 % šířky mezery přepážky. Pro 100 mm mezeru přepážky je maximální vnější průměr ohřívače 50 mm. Pro mezeru 50 mm je maximální vnější průměr ohřívače 25 mm. Větší ohřívače škrtí průtok, snižují rychlost a způsobují přehřívání.
Výpočet rychlosti obtoku průtoku
Rychlost v mezeře přepážky je v=Q / A, kde Q je objemový průtok z míchadla nebo recirkulačního čerpadla a A je plocha průřezu- mezery, kterou nezabírá ohřívač. Celková šířka mezery je W, vnější průměr ohřívače je D a výška nádrže je H (za předpokladu, že je zcela ponořená). Volná oblast A_free=(W - D) × H. Pokud se D blíží W, A_free se blíží nule, rychlost dramaticky klesne. Chcete-li zachovat hodnotu v větší nebo rovnou 0,3 m/s, musí být A_free větší nebo rovno Q / 0,3. Pro typickou nádrž s míchadlem dodávajícím Q=0.05 m³/s (3 m³/min), H=2 m, požadované A_free=0.05 / 0.3=0.167 m². Potom (Š - D) × 2=0.167, tedy Š - D=0.0835 m=83.5 mm. Pokud W=150 mm, maximálně D=150 - 83.5=66.5 mm. Fungovalo by 65mm topení. Pokud W=100 mm, maximálně D=100 - 83.5=16.5 mm-velmi malý ohřívač. V tomto případě nelze ohřívač umístit do mezery přepážky; musí se to přemístit.
U nádrží s přirozenou konvekcí (žádné čerpadlo, žádné míchadlo) je rychlost proudění generována vztlakem. Maximální nárůst rychlosti podél ohřívače je přibližně v=√(2 × g × × ΔT × L), kde g=9.81 m/s² je koeficient tepelné roztažnosti (0,0004/ stupeň pro vodu), ΔT je teplotní rozdíl mezi povrchem ohřívače a objemem (10 stupňů) a L je délka ohřívače (1 m). v=√(2 × 9,81 × 0,0004 × 10 × 1)=√(0,0785)=0.28 m/s- minimálně. Jakékoli omezení, které snižuje tuto rychlost, riskuje přehřátí. Pro přirozenou konvekci by měl být průměr ohřívače menší nebo roven 30 % šířky mezery přepážky, aby nedošlo k zadušení.
Tabulka pro výběr průměru ohřívače vs
| Šířka mezery přepážky (mm) | Typ průtoku | Minimální požadované v (m/s) | Maximální vnější průměr ohřívače (mm) pro v Větší nebo rovno min | Doporučený vnější průměr ohřívače (mm) | Poznámky |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 | Nucené (čerpadlo, míchadlo) | 0.3 | 25 | 20–25 | Těsné, ale proveditelné |
| 50 | Přirozená konvekce | 0.25 | 15 | 12–16 | Velmi malý ohřívač |
| 75 | Vynucený | 0.3 | 40 | 32–38 | Dobrý |
| 75 | Přírodní | 0.25 | 22 | 20–25 | Přijatelný |
| 100 | Vynucený | 0.3 | 58 | 50 | Norma |
| 100 | Přírodní | 0.25 | 30 | 25 | OK |
| 125 | Vynucený | 0.3 | 83 | 75 | Možnost velkého ohřívače |
| 150 | Vynucený | 0.3 | 108 | 100 | Typické pro velké nádrže |
| 200 | Vynucený | 0.3 | 158 | 150 | Vejde se více ohřívačů |
Důsledky nadměrného ohřívače v mezeře přepážky
Pokud je průměr ohřívače příliš velký pro mezeru přepážky (D > 0,6 × W pro nucené proudění, D > 0,3 × W pro přirozenou konvekci), nastanou tři problémy:
Stagnace toku: Rychlost klesne pod 0,2 m/s. Součinitel prostupu tepla h klesá z 500–1 000 W/m²·K na 100–300 W/m²·K. Pro konstantní hustotu wattů se povrchová teplota PFA zvýší o 20–50 stupňů.
Lokalizované přehřátí: Nejžhavější bod je na straně ohřívače po proudu (v brázdě). Teplotní rozdíl mezi před a po proudu může dosáhnout 20–30 stupňů, což způsobuje nerovnoměrné tepelné namáhání.
Zrychlené škálování: Nízká rychlost umožňuje bublinám a částicím ulpívat na ohřívači a vytvářet vodní kámen a biofilmy. Váha dále snižuje přenos tepla a vytváří kladnou zpětnou vazbu.
Terénní kontrola nadměrného ohřívače v mezeře přepážky ukazuje zřetelný vzor: PFA je zažloutlý nebo hnědý na straně po proudu s bílými usazeninami. Strana proti proudu se může zdát normální. Pokud je tento vzor pozorován, ohřívač je příliš velký pro mezeru.
Alternativy instalace, když je mezera příliš malá
Pokud požadovaný průměr ohřívače překračuje maximální povolenou mezeru přepážky, zvažte tyto alternativy:
Přemístěte ohřívač: Namontujte ohřívač do středu nádrže (daleko od přepážek) nebo do recirkulační smyčky. Středová montáž má často vyšší rychlost proudění než mezery mezi přepážkami.
Použijte více menších ohřívačů: Místo jednoho ohřívače 50 mm použijte dva ohřívače 25 mm. Celková plocha (a výkon) může být stejná, ale každý menší ohřívač má nižší omezení průtoku.
Zvětšete mezeru mezi přepážkami: Pokud to konstrukce nádrže umožňuje, zvyšte W posunutím přepážek nebo oříznutím okrajů přepážek. Přidání 25 mm k mezeře umožňuje 50 mm ohřívač tam, kde se předtím vešlo pouze 32 mm.
Přidejte urychlovač toku: Nainstalujte malý ejektor nebo trysku do mezery přepážky pro zvýšení místní rychlosti. Tryska spotřebovává určité množství energie čerpadla, ale obnovuje přenos tepla.
Příklad pole
Směšovací nádrž o objemu 5 000 litrů měla mezeru mezi přepážkami 80 mm. Závod instaloval ohřívač PFA 63 mm (79 % mezery). Rychlost proudění (naměřená) byla 0,12 m/s. Ohřívač se zvětšil během 3 měsíců a povrchová teplota PFA dosáhla 115 stupňů ve vodě o teplotě 70 stupňů (45 stupňů). Závod jej nahradil dvěma 25mm ohřívači (celkový výkon stejný) umístěnými na obou stranách ozvučnice. Rychlost kolem každého ohřívače byla 0,35 m/s. Snížil se vodní kámen, povrchová teplota klesla na 85 stupňů a životnost ohřívače se prodloužila ze 6 měsíců na 5 let. Náklady na dva ohřívače (2 × 500=500=1 000) byly vyšší než na jeden 63mm ohřívač (800 USD), ale delší životnost a zkrácené prostoje se vrátily do 18 měsíců.
Závěr: Vnější průměr ohřívače menší nebo roven 0,5 × mezera mezi přepážkou pro nucený průtok
U ohřívače PFA instalovaného v mezeře přepážky vyberte průměr ohřívače tak, aby OD menší nebo rovný 0,5 × šířka mezery přepážky (W) pro nucený průtok (pumpovaný nebo míchaný) a OD menší nebo rovný 0,3 × W pro přirozenou konvekci. To zajišťuje dostatečnou volnou plochu pro udržení minimální rychlosti obtoku 0,3 m/s (nucený) nebo 0,25 m/s (přirozený). Předimenzované ohřívače tlumí proudění, což způsobuje nízkou rychlost, vysokou povrchovou teplotu, zrychlené usazování vodního kamene a předčasné selhání. Změřte mezeru, vypočítejte maximální přípustný vnější průměr a podle toho vyberte. Pokud potřebný OD překračuje limit, přemístěte ohřívač nebo použijte více menších ohřívačů. Mezera přepážky je pro průtok, ne pro nacpání největšího možného ohřívače. Respektujte mezeru, dimenzujte ohřívač, udržujte průtok. Váš ohřívač se vám odvděčí mnohaletými službami.
