מיכל כימי יכול להכיל את אותו נפח של נוזל אך להתנהג בצורה שונה מאוד מאצוות ייצור אחד לאחר. שינויים בריכוז הכימי עלולים לשנות את צפיפות הנוזל, הצמיגות, קיבולת החום ומחזור הדם. שינויים אלה משפיעים ישירות על האופן שבו אדוד טבילה PTFEמעביר חום לאמבטיה.
עבור מהנדסים המדגימים ציוד חימום, יש להתייחס לצפיפות הנוזל יחד עם ריכוז ותכונות תרמיות במקום להתייחס למפרט מבודד.
צפיפות משנה את המסה האמיתית המתחממת
קיבולת הטנק מתבטאת בדרך כלל בליטרים או מטר מעוקב, בעוד שחישובי החימום תלויים במסה.
הקשר הבסיסי הוא:
m = ρV
אֵיפֹהmהוא מסה נוזלית,ρהוא צפיפות, וVהוא נפח נוזלי.
לדוגמה, מיכל של 1,000 ליטר המכיל תמיסה בצפיפות של 1.20 ק"ג/ליטר מכיל כ-1,200 ק"ג נוזל.
אם אותו מיכל מכיל תמיסת צפיפות- נמוכה יותר של 1.00 ק"ג/ליטר, מסת הנוזל היא רק כ-1,000 ק"ג.
הבדל זה משפיע על כמות האנרגיה הנדרשת להעלאת טמפרטורת האמבטיה.
לחימום הגיוני:
Q=mcΔT
לכן, שני נוזלים התופסים את אותו נפח מיכל יכולים לדרוש אנרגיית חימום שונה כאשר הצפיפות ויכולות החום הספציפיות שלהם שונות.
צפיפות לבדה אינה קובעת את העברת החום
אי הבנה הנדסית נפוצה היא ההנחה שצפיפות גבוהה יותר פירושה אוטומטית העברת חום גרועה יותר או טובה יותר.
צפיפות היא רק חלק אחד מתמונת הנכס-של הנוזל.
העברת חום סביב תנור טבילה מסוג PTFE מושפעת גם מצמיגות, קיבולת חום ספציפית, מוליכות תרמית, מהירות נוזל, גיאומטריית המחמם והפרשי טמפרטורה.
מערכת יחסים פשוטה היא:
Q=hAAT
כָּאן,hמייצג את מקדם העברת החום האפקטיבי-וAמייצג את אזור החימום הפעיל.
צפיפות יכולה להשפיע על התנהגות נוזל, אבל היא לא מספקת ישירות את הערך שלh. תנועת נוזל וצמיגות יכולים להיות חשובים באותה מידה.
פתרונות מרוכזים יכולים לשנות כמה מאפיינים ביחד
בתהליכים כימיים רבים, הצפיפות עולה ככל שהריכוז הכימי המומס עולה. יחד עם זאת, הצמיגות וקיבולת החום הספציפית עשויים להשתנות.
זה יוצר אפקט עיצוב משולב.
תמיסה מרוכזת עשויה להכיל יותר מסה ליחידת נפח, מה שמגדיל את עומס החימום ההגיוני-. אם גם הצמיגות עולה, מחזור הדם סביב המחמם עשוי להיות פחות יעיל.
התוצאה יכולה להיות תהליך שבו אותו כוח מחמם נומינלי מייצר תגובת טמפרטורה שונה לאחר שינוי הריכוז הכימי.
מסיבה זו, חישובי חימום המבוססים רק על נפח המיכל עלולים להפוך לא מדויקים עבור פתרונות כימיים מרוכזים.
מדוע שטח הפנים של המחמם עדיין חשוב
נניח שתהליך דורש כוח חימום של 12 קילוואט.
דוד קומפקטי עם שטח פעיל קטן ותנור חימום ארוך יותר עם שטח פעיל גדול יותר יכולים לספק 12 קילוואט חשמלית. עם זאת, שטף החום הממוצע שלהם על פני השטח יהיה שונה.
החישוב הפשוט הוא:
q = P/A
אֵיפֹהqהוא שטף חום ממוצע.
שקול שתי תצורות להמחשה:
| סידור מחמם | כּוֹחַ | אזור חימום אקטיבי | שטף חום ממוצע |
|---|---|---|---|
| תצורה קומפקטית | 12 קילוואט | 0.60 m² | 20 קילוואט/מ"ר |
| תצורה מבוזרת | 12 קילוואט | 1.20 m² | 10 קילוואט/מ"ר |
ערכים אלו הם להמחשה ואינם מייצגים מגבלות הפעלה אוניברסליות של PTFE.
הסידור המבוזר יכול לספק שטף חום ממוצע נמוך יותר של פני השטח, אך הביצועים בפועל עדיין תלויים בסירקולציה, בגיאומטריה של ההתקנה, בכימיה של האמבט ובבניית תנור החימום.
תנועת נוזלים יכולה להפוך לגורם המגביל
כאשר תמיסה כימית צפופה או צמיגה נעה באיטיות, חום עלול להצטבר סביב משטח המחמם מהר יותר ממה שהוא מועבר לאמבטיה שמסביב.
זה יכול ליצור הפרש טמפרטורה מקומי בין הנוזל שמסביב למחמם לבין התמיסה בתפזורת.
חיישן טמפרטורת מיכל עדיין עשוי לדווח על הטמפרטורה הממוצעת הרצויה בעוד שמשטח המחמם חווה תנאים שונים באופן מהותי.
לכן יש להעריך יחד ערבול מכני, זרימת משאבה, מרווח בין תנור חימום ומיקום ההתקנה.
עבור מיכלים כימיים גדולים, חלוקת אזורי חימום יכולה גם לעזור להימנע מריכוז העומס התרמי באזור אחד.
צפיפות צריכה להיכלל בחימום-חישובי זמן
שקול תמיסה כימית להמחשה של 1,500 ליטר עם צפיפות של 1.15 ק"ג/ליטר. המסה הנוזלית המשוערת היא:
m=1.15 × 1,500=1,725 ק"ג
אם מניחים כי קיבולת החום הספציפית היא 3.2 קילו-ג'יי/(ק"ג·K) ועליית הטמפרטורה הנדרשת היא 30 מעלות:
Q=1,725 × 3.2 × 30=165,600 קילו-ג'יי
זה שווה בערך 46 קילוואט של אנרגיית חימום נבונה.
תנור חימום בהספק של 20 קילוואט ידרוש תיאורטית כ-2.3 שעות בתנאים אידיאליים. זמן החימום בפועל יהיה ארוך יותר מכיוון שקירות מיכל, צנרת, חלקי עבודה, אידוי ואיבודי חום סביבתיים צורכים גם אנרגיה.
החישוב מדגים מדוע יש לכלול צפיפות וקיבולת חום ספציפית בעת אומדן קיבולת החימום.
אילו נתונים יש לספק לבחירת מחמם?
לתהליך כימי באמצעות אדוד טבילה PTFE, מידע שימושי נוזלי כולל:
צפיפות נוזלים או משקל סגולי
ריכוז כימיקלים
קיבולת חום ספציפית
צְמִיגוּת
מוליכות תרמית כאשר זמינה
טווח טמפרטורות הפעלה
קצב חימום נדרש
שיטת מחזור או תסיסה
רמת נוזלים רגילה ומינימלית
מידות טנק
לכן מומלץ להתייחס לצפיפות כחלק אחד מפרופיל-תרמי רחב יותר.
כאשר הצפיפות משתנה באופן משמעותי עם הריכוז הכימי, יש לבדוק את גודל המחמם על פני טווח הפעולה בפועל ולא מול מצב נומינלי יחיד. שילוב של מאפייני נוזל עם שטח פני חימום, חלוקת כוח, מחזור וגיאומטריית מיכל מספק בסיס אמין יותר לבחירת תנור טבילה PTFE ועיצוב תעשייתי מותאם אישית.
