מיכל כימי בנפח 5,000 ליטר יכול לדרוש קיבולת חימום שונה מאוד בהתאם לטמפרטורת ההתחלה, טמפרטורת היעד, זמן החימום ואיבוד החום מהציוד.
שימוש בנפח המיכל בלבד לבחירת פלטת חימום יכול בקלות לגרום ליכולת חימום לא מספקת או להספק מופרז. הגישה האמינה יותר היא לחשב תחילה את העומס התרמי הנדרש ולאחר מכן להתאים את העומס הזה לשטח חימום מתאים ולשטף חום פני השטח.
עבור מיכלים כימיים גדולים, המאזן ההנדסי המרכזי הואהתאוששות מהירה של טמפרטורה לעומת חימום יציב ויעיל.
התחל עם נוסחת החימום הבסיסית
ניתן להעריך את האנרגיה הדרושה להעלאת טמפרטורת נוזל התהליך באמצעות:
Q=mCpΔT
אֵיפֹה:
Q= נדרשת אנרגיה תרמית
m= מסה נוזלית
Cp= קיבולת חום ספציפית
ΔTעליית טמפרטורה =
עבור מיכל של 5,000 ליטר המכיל נוזל בצפיפות הקרובה ל-1 ק"ג/ליטר, מסת הנוזל היא כ-5,000 ק"ג.
אם הטמפרטורה חייבת לעלות ב-30 מעלות, האנרגיה הנדרשת תלויה מאוד בקיבולת החום הספציפית בפועל של התמיסה הכימית.
מים-כמו נוזלים מספקים התייחסות מקדימה שימושית, אך פתרונות כימיים תעשייתיים צריכים להשתמש בנתוני מאפיינים-תרמיים ממשיים או מאומתים בכל פעם שהם זמינים.
זמן החימום קובע את ההספק הנדרש
אנרגיה לבדה אינה קובעת את דירוג לוחית החימום.
ניתן להעריך את כוח החימום כ:
P = Q/t
אֵיפֹהtהוא זמן החימום הנדרש.
לדוגמה, מיכל גדול שניתן לחמם על פני מספר שעות דורש הרבה פחות כוח מותקן מאשר אותו מיכל שחייב להגיע לטמפרטורת היעד תוך שעה.
יש לכלול גם אובדן חום:
סך הכל=Pprocess + Ploss
חום יכול ללכת לאיבוד דרך קירות המיכל, משטח הנוזל, הצנרת, התומכים והאוויר שמסביב.
לכן בידוד לקוי יכול להגדיל את קיבולת לוחות החימום הנדרשות באופן משמעותי.
דוגמה חישוב פשוטה
נניח שתמיסה דמוית מים בנפח 5,000-ליטר עם:
משקל: 5,000 ק"ג
חום סגולי: כ-4.18 קילו-ג'יי/ק"ג· מעלות
עליית טמפרטורה: 30 מעלות
זמן חימום: שעתיים
דרישת האנרגיה התיאורטית היא:
Q=5,000 × 4.18 × 30=627,000 kJ
המרה לקילווואט-שעות נותן בערך:
174 קילוואט
במשך שעתיים, כוח החימום התיאורטי הוא בערך:
87 קילוואט
זוהי רק דרישת התהליך-לחימום נוזלי. כוח מותקן בפועל חייב גם לפצות על הפסדי חום וחוסר יעילות של המערכת.
לכן תכנון מעשי עשוי לדרוש קיבולת נוספת מעל ערך תיאורטי זה.
אין להתייחס לאובדן חום כאחוז קבוע
החלת גורם יעילות שרירותי על כל מיכל כימיקלים עלולה לייצר תוצאות מידות גרועות.
איבוד חום תלוי בתנאים בפועל, כולל:
חומר קיר טנק
עובי בידוד
טמפרטורת הסביבה
שטח פנים נוזלי
מצב כריכה
חיבורי צנרת
מערכת מחזור
טמפרטורת הפעלה
מיכל מכוסה ומבודד עשוי להיות בעל אובדן חום נמוך יחסית, בעוד שמיכל פתוח הפועל באזור ייצור קר עלול לאבד יותר חום באופן משמעותי.
לבחירת פלטת חימום מדויקת, יש להעריך תנאים אלה בנפרד.
אזור לוחות החימום חשוב לאחר שהספק ידוע
לאחר אומדן קיבולת החימום הנדרשת, אזור החימום הופך לפרמטר החשוב הבא.
שטף חום פני השטח הוא:
q″ = Q/A
שטח פלטת חימום גדול מאפשר חלוקת הכוח הנדרש על פני משטח גדול יותר.
זה יכול להפחית את טמפרטורת פני השטח המקומית ולשפר את אחידות הטמפרטורה, במיוחד כאשר לתמיסה הכימית יש מחזור מוגבל.
| שלב החישוב | משתנה עיקרי | מטרה הנדסית |
|---|---|---|
| 1 | מסה נוזלית | קבע עומס תרמי |
| 2 | חום ספציפי | קבע אנרגיה לכל מעלה |
| 3 | עליית טמפרטורה | הגדר את קלט החום הנדרש |
| 4 | זמן חימום | המרת אנרגיה לכוח |
| 5 | איבוד חום | קיבולת כוללת נכונה |
| 6 | אזור חימום | בקרת שטף חום משטח |
| 7 | מַחזוֹר | ודא העברת חום מעשית |
החישוב צריך אפוא להמשיך מעבר לערך הקילווואט הסופי.
מאפיינים כימיים יכולים לשנות את התוצאה
מיכל כימיקלים של 5,000 ליטר אינו שווה בהכרח ל-5,000 ליטר מים.
ריכוז כימי יכול להשפיע על צפיפות וחום ספציפי. צמיגות יכולה גם להשפיע על זרימת הדם והעברת החום.
לדוגמה, תמיסה כימית מרוכזת עשויה לדרוש בקרת זרימת חום- זהירה מכיוון שהסעה חלשה עלולה ליצור הבדל טמפרטורה משמעותי ליד לוח החימום.
A פלטת חימום PTFEניתן לשקול כאשר עמידות בפני קורוזיה היא דרישה עיקרית. מכיוון של-PTFE יש מוליכות תרמית נמוכה יחסית למתכות, יש לכלול שטח חימום ופיזור חום פנימי בתכנון התרמי.
גודל יתר יכול ליצור בעיה אחרת
התקנת כוח רב יותר מהמחושב עשויה להיראות כמספקת מרווח בטיחות נוסף.
עם זאת, קיבולת מוגזמת עלולה לגרום ל:
שטף חום משטח גבוה יותר
חריגה מהטמפרטורה
מחזורי בקרה קצרים
מתח תרמי גדול יותר
צריכת אנרגיה מוגברת במהלך פעולה רגילה
עבור מיכל גדול של 5,000 ליטר, אזורי חימום מרובים יכולים לספק פתרון טוב יותר. ניתן להשתמש בקיבולת גבוהה במהלך הפעלה קרה, בעוד שפחות אזורים שומרים על טמפרטורה במהלך ייצור יציב.
זה מספק שליטה רבה יותר מבלי לאלץ את מערכת החימום כולה לפעול בתפוקה מלאה ברציפות.
החישוב צריך להתאים לתנאי הייצור
מפרט לוח חימום סופי צריך לשקול לפחות:
נפח נומינלי של 5,000 ליטר + נפח הפעלה מינימלי + טמפרטורת התחלה + טמפרטורת יעד + זמן חימום נדרש + תכונות כימיות בפועל + איבוד חום + מצב סירקולציה.
זה מונע מהעיצוב להתבסס על גודל המיכל בלבד.
עבור מיכל כימיקלים של 5,000-ליטר, הספק הנכון של לוחית החימום אינו מספר אוניברסלי. היא תוצאה של חישוב עומס תרמי- ואחריו אימות של שטח החימום, שטף החום של פני השטח, מחזור הדם ודרישות בקרת הטמפרטורה.
עבור פרויקטים להחלפה או מותאמים אישית של לוחות חימום, מתן ריכוז אמבט, טווח טמפרטורה, יעד זמן לחימום-, מצב בידוד, קצב מחזור וממדי התקנה זמינים מאפשר להתאים את התצורה הסופית של הספק ואזור החימום- לתנאי הייצור האמיתיים.
