מפעל כימי החליף דוד טבילה PTFE באמבט ציפוי לאחר תשעה חודשי שירות. אותו דגם מחמם החזיק מעמד ארבע שנים במיכל דומה במתקן אחר. ההבדל היה ריכוז המוצקים המומסים. ההתקנה הכושלת עשתה אמבטיה עם 350 גרם/ליטר של מלחים מומסים, בעוד שההתקנה המוצלחת פעלה על 120 גרם/ליטר. ריכוז המוצקים הגבוה יותר הגדיל את הצמיגות והפחית את המוליכות התרמית של הנוזל, והוריד את צפיפות הוואטים הבטוחה.
מוצקים מומסים משפיעים על העברת החום בשתי דרכים. הם מגדילים את הצמיגות של הנוזל, אשר מעבה את שכבת הגבול התרמית במשטח המחמם. הם גם מפחיתים את המוליכות התרמית של הנוזל, מה שמוריד את קצב נע החום בנוזל. האפקט המשולב הוא מקדם העברת חום הסעה נמוך יותר וטמפרטורת פני החימום גבוהה יותר עבור כל צפיפות וואט נתונה.
כיצד מוצקים מומסים משנים את תכונות הנוזל
ככל שריכוז המוצקים המומסים עולה, הנוזל הופך לצמיג יותר ופחות מוליך תרמית. עליית הצמיגות היא ליניארית בערך עם ריכוז עבור רוב המלחים. ירידת המוליכות התרמית קטנה יותר אך עדיין ניתנת למדידה.
אמבט ציפוי עם 300 גרם/ליטר של מלחים מומסים עשוי להיות בעל צמיגות פי שניים עד שלוש מזו של מים באותה טמפרטורה. המוליכות התרמית עשויה להיות נמוכה ב-10-15%. מקדם העברת החום ההסעה, התלוי בשני המאפיינים, עשוי להיות נמוך ב-25-40% ממים.
| מוצקים מומסים | צמיגות יחסית | מוליכות תרמית יחסית | מקדם הסעה מול מים | צפיפות וואט בטוחה |
|---|---|---|---|---|
| <50 g/L | 1.0–1.1× | 0.98–1.0× | 0.9–1.0× | 1.4–1.6 W/cm² |
| 50–150 g/L | 1.1–1.4× | 0.95–0.98× | 0.75–0.90× | 1.2–1.4 W/cm² |
| 150–250 g/L | 1.4–1.8× | 0.92–0.95× | 0.60–0.75× | 1.0–1.2 W/cm² |
| 250–350 g/L | 1.8–2.5× | 0.88–0.92× | 0.45–0.60× | 0.8–1.0 W/cm² |
| >350 g/L | >2.5× | <0.88× | <0.45× | 0.6–0.8 W/cm² |
ריכוז מוצקים מומסים והשפעתו על תכונות הנוזל וצפיפות וואט בטוחה
מדוע אותו דגם מחמם נכשל במוצקים גבוהים
תנור חימום הפועל בעוצמה של 1.2 W/cm² באמבטיית מוצקים נמוכה- עשויה להיות בעלת טמפרטורת פני השטח 15-18 מעלות מעל לנוזל התפזורת. לאותו מחמם באמבטיית-מוצקים גבוהה עשויה להיות טמפרטורת פני השטח של 25-35 מעלות מעל הנפח. טמפרטורת פני השטח הגבוהה מאיצה את החדירה, החמצון והשקעת אבנית.
טמפרטורת פני השטח הגבוהה יותר גם מגבירה את הכוח המניע לתצהיר. מלחים מומסים שהם קרובים לרוויה בטמפרטורת הכמות הגדולה עשויים לעלות על הרוויה במשטח המחמם. הם משקעים על פני השטח ויוצרים שכבת אבנית המוסיפה התנגדות תרמית ומעלה עוד יותר את טמפרטורת פני השטח.
מגבלות צפיפות וואט מעשיות עבור אמבטיות-מוצקות גבוהות
עבור אמבטיות עם מוצקים מומסים מעל 250 גרם/ליטר, צפיפות הוואט הבטוחה היא 0.8-1.0 W/cm² בתנאים נסערים בינוניים. עבור אמבטיות מעל 350 גרם/ליטר, הגבול יורד ל-0.6-0.8 W/cm². ערכים אלה מניחים מגבלת טמפרטורת משטח המחמם של 100-110 מעלות.
| מוצקים מומסים | טֶמפֶּרָטוּרָה | צפיפות וואט בטוחה | שטח פנים עבור 5 קילוואט | חיי שירות צפויים |
|---|---|---|---|---|
| <100 g/L | 60 מעלות | 1.4 W/cm² | 3,571 ס"מ רבוע | 4-6 שנים |
| 100–200 g/L | 60 מעלות | 1.2 W/cm² | 4,167 ס"מ רבוע | 3-4 שנים |
| 200–300 g/L | 60 מעלות | 1.0 W/cm² | 5,000 ס"מ רבוע | 2-3 שנים |
| 300–400 g/L | 60 מעלות | 0.8 W/cm² | 6,250 ס"מ רבוע | 18-30 חודשים |
| >400 g/L | 60 מעלות | 0.6 W/cm² | 8,333 ס"מ רבוע | 12-24 חודשים |
דרישות צפיפות וואט בטוחות ושטח פנים על ידי ריכוז מוצקים מומסים
מדידת מוצקים מומסים
ניתן למדוד את ריכוז המוצקים המומסים על ידי אידוי מדגם של האמבטיה ושקילת השאריות. יש לבצע את המדידה בטמפרטורת הפעלה או לתקן לטמפרטורת הפעלה.
מד מוליכות מספק אומדן מהיר של מוצקים מומסים. המוליכות מתואמת עם הריכוז עבור רוב אמבטיות הציפוי. הקשר צריך להיות מכויל עבור כימיה האמבטיה הספציפית.
כאשר תנורי חימום סטנדרטיים אינם יכולים לעמוד בדרישת צפיפות הוואט
אמבטיות ציפוי מוצק גבוהות- עם דרישות הספק גבוהות ומרחב היקפי מוגבל לרוב אינן יכולות להכיל מחממי טבילה סטנדרטיים מסוג PTFE בצפיפות הוואט הנמוכה שהכימיה דורשת. תצורת דוד טבילה מותאמת אישית של PTFE עם שטח פנים גדול, צפיפות וואט נמוכה ומיקום מותאם- של זרימה מטפלת בגורם השורש לאי התאמה בצפיפות וואט. תהליך המפרט דורש את ריכוז המוצקים המומסים, טמפרטורת הפעולה, ממדי המיכל, תנאי הזרימה והספק הנדרש. עבור מתקנים עם אמבטיות גבוהות של-מוצקים, גישה ספציפית ליישום-מפחיתה את השפלת הציפוי ומאריכה את חיי השירות של המחמם.
