במיכלים מבולבלים-המשמשים לערבוב, תגובות כימיות והעברת חום-הרווח בין המבצר לדופן המיכל יוצר ערוץ עוקף זרימה. אם תנור PFA ממוקם בערוץ זה, מהירות הזרימה מעבר למחמם חייבת להיות מספקת כדי לשמור על העברת חום ולמנוע התחממות יתר מקומית. מהירות מעקף הזרימה המינימלית עבור מחממי PFA בשירות מים היא 0.3-0.5 מ'/שניה כדי לשמור על טמפרטורת פני השטח של PFA בטווח של 10 מעלות מהנוזל בתפזורת בצפיפות וואט אופיינית (3-5 W/cm²). עבור מרווח נתון (מרווח בין קצה המבצר לדופן המיכל), יש לבחור את קוטר המחמם כך שאזור החתך- של התעלה העוקפת סביב המחמם גדול מספיק כדי לשמור על המהירות. הכלל: ה-OD של המחמם צריך להיות קטן או שווה ל-50% מרוחב הפער של הבפל. עבור מרווח מגן של 100 מ"מ, OD החימום המרבי הוא 50 מ"מ. עבור מרווח של 50 מ"מ, OD החימום המרבי הוא 25 מ"מ. תנורי חימום גדולים יותר חונקים את הזרימה, מפחיתים את המהירות וגורמים להתחממות יתר.
חישוב מהירות מעקף זרימה
המהירות במרווח המבצר היא v=Q / A, כאשר Q הוא קצב הזרימה הנפחי מהמעורבל או משאבת המחזור, ו-A הוא שטח החתך- של המרווח שאינו תפוס על ידי המחמם. רוחב הפער הכולל הוא W, גוף החימום OD הוא D, וגובה המיכל הוא H (מניח שקוע במלואו). השטח הפנוי A_free=(W - D) × H. אם D מתקרב ל-W, A_free מתקרב לאפס, המהירות יורדת באופן דרמטי. כדי לשמור על v גדול או שווה ל-0.3 m/s, A_free חייב להיות גדול או שווה ל-Q / 0.3. עבור מיכל טיפוסי עם מערבל המספק Q=0.05 m³/s (3 m³/min), H=2 m, נדרש A_free=0.05 / 0.3=0.167 m². ואז (W - D) × 2=0.167, אז W - D=0.0835 מ'=83.5 מ"מ. אם W=150 מ"מ, מקסימום D=150 - 83.5=66.5 מ"מ. תנור חימום 65 מ"מ יעבוד. אם W=100 מ"מ, מקסימום D=100 - 83.5=16.5 מ"מ-מחמם קטן מאוד. במקרה זה, לא ניתן למקם את התנור במרווח הבפל; יש להעביר אותו.
עבור מיכלי הסעה טבעיים (ללא משאבה, ללא תסיסה), מהירות הזרימה נוצרת על ידי ציפה. עליית המהירות המקסימלית לאורך מחמם היא בערך v=√(2 × g × × ΔT × L), כאשר g=9.81 m/s², הוא מקדם התפשטות תרמית (0.0004/מעלה למים), ΔT הוא הפרש הטמפרטורה בין משטח המחמם לתפזורת (10 מעלות), ו-L הוא אורך המחמם (1 מ'). v=√(2 × 9.81 × 0.0004 × 10 × 1)=√(0.0785)=0.28 m/s-למינימום. כל הגבלה שמפחיתה מהירות זו מסתכנת בהתחממות יתר. להסעה טבעית, קוטר המחמם צריך להיות קטן מ-30% או שווה ל-30% מרוחב הרווח של הבפל כדי למנוע חנק.
קוטר המחמם לעומת טבלת בחירת מרווחי הבדל
| רוחב מרווח הבלבול (מ"מ) | סוג זרימה | מינימום נדרש v (m/s) | OD מרבי של מחמם (מ"מ) עבור v גדול או שווה למינימום | תנור חימום מומלץ (מ"מ) | הערות |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 | מאולץ (משאבה, תסיסה) | 0.3 | 25 | 20–25 | צמוד אבל אפשרי |
| 50 | הסעה טבעית | 0.25 | 15 | 12–16 | דוד קטן מאוד |
| 75 | כָּפוּי | 0.3 | 40 | 32–38 | טוֹב |
| 75 | טִבעִי | 0.25 | 22 | 20–25 | קָבִיל |
| 100 | כָּפוּי | 0.3 | 58 | 50 | תֶקֶן |
| 100 | טִבעִי | 0.25 | 30 | 25 | בְּסֵדֶר |
| 125 | כָּפוּי | 0.3 | 83 | 75 | חימום גדול אפשרי |
| 150 | כָּפוּי | 0.3 | 108 | 100 | אופייני למיכלים גדולים |
| 200 | כָּפוּי | 0.3 | 158 | 150 | תנורי חימום מרובים עשויים להתאים |
ההשלכות של תנור חימום גדול מדי ב-Baffle Gap
אם קוטר המחמם גדול מדי עבור מרווח הבלימה (D > 0.6 × W לזרימה מאולצת, D > 0.3 × W להסעה טבעית), מתרחשות שלוש בעיות:
סטגנציה של זרימה: המהירות יורדת מתחת ל-0.2 מטר/שניה. מקדם העברת החום h יורד מ-500–1,000 W/m²·K ל-100–300 W/m²·K. עבור צפיפות וואט קבועה, טמפרטורת פני השטח של PFA עולה ב-20-50 מעלות.
התחממות יתר מקומית: הנקודה החמה ביותר היא בצד במורד הזרם של המחמם (בעקבותיו). הפרש הטמפרטורות בין במעלה הזרם למורד הזרם יכול להגיע ל-20-30 מעלות, מה שגורם ללחץ תרמי לא אחיד.
קנה מידה מואץ: מהירות נמוכה מאפשרת לבועות ולחלקיקים להיצמד למחמם וליצור אבנית וביופילם. הסולם מפחית עוד יותר את העברת החום, ויוצר לולאת משוב חיובי.
בדיקת שדה של תנור חימום גדול ממדים במרווח בבל מראה דפוס ברור: ה-PFA מצהיב או חום בצד במורד הזרם, עם משקעי אבנית לבנים. הצד במעלה הזרם עשוי להיראות תקין. אם דפוס זה נצפה, המחמם גדול מדי עבור הפער.
חלופות התקנה כאשר הפער קטן מדי
אם קוטר המחמם הדרוש חורג מהמקסימום המותר למרווח הבלבול, שקול את החלופות הבאות:
העבר את תנור החימום: הרכיבו את המחמם במרכז המיכל (הרחק מבפלים) או בלולאת מחזור. להרכבה מרכזית יש לעתים קרובות מהירות זרימה גבוהה יותר מאשר מרווחי הבלבול.
השתמש במספר תנורי חימום קטנים יותר: במקום תנור חימום אחד בגודל 50 מ"מ, השתמש בשני מחממי חימום בקוטר 25 מ"מ. שטח הפנים הכולל (וההספק) יכול להיות זהה, אבל לכל מחמם קטן יותר יש הגבלת זרימה נמוכה יותר.
הגדל את פער הבלבול: אם תכנון הטנק מאפשר, הגדל את W על ידי הזזת תערוכות או חיתוך קצוות המבשילים. הוספת 25 מ"מ למרווח מאפשרת תנור חימום 50 מ"מ שבו רק 32 מ"מ מתאימים לפני.
הוסף מאיץ זרימה: התקן זרבובית קטנה או זרבובית סילון במרווח הבפל כדי להגביר את המהירות המקומית. הזרבובית צורכת מעט אנרגיית משאבה אך משחזרת את העברת החום.
דוגמה לשדה
למיכל ערבוב של 5,000 ליטר היה רווח של 80 מ"מ. המפעל התקין מחמם PFA 63 מ"מ (79% מהפער). מהירות הזרימה (נמדדה) הייתה 0.12 מ' לשנייה. המחמם גדל תוך 3 חודשים, וטמפרטורת פני השטח של PFA הגיעה ל-115 מעלות במים של 70 מעלות (עלייה של 45 מעלות). המפעל החליף אותו בשני תנורי חימום בקוטר 25 מ"מ (הספק כולל זהה) שהונחו משני צידי המבצר. המהירות סביב כל מחמם הייתה 0.35 מ"ש. קנה המידה ירד, טמפרטורת פני השטח ירדה ל-85 מעלות, וחיי המחמם התארכו מ-6 חודשים ל-5 שנים. העלות של שני מחממים (2 × 500=500=1,000) הייתה גבוהה יותר מתנור חימום אחד בגודל 63 מ"מ ($800), אך אורך החיים הארוך יותר וזמני ההשבתה המופחתים הוחזרו תוך 18 חודשים.
מסקנה: OD של מחמם קטן או שווה ל-0.5 × פער ביל לזרימה מאולצת
עבור מחמם PFA המותקן במרווח מגן, בחר את קוטר המחמם כך ש-OD קטן מ-או שווה ל-0.5 × רוחב מרווח הבלילה (W) עבור זרימה מאולצת (נשאבת או נסערת), ו-OD קטן או שווה ל-0.3 × W עבור הסעה טבעית. זה מבטיח שטח פנוי מספיק כדי לשמור על מהירות עוקפת זרימה מינימלית של 0.3 מ"ש (מאולץ) או 0.25 מ"ש (טבעי). תנורי חימום גדולים מדי חונקים את הזרימה, וגורמים למהירות נמוכה, טמפרטורת פני שטח גבוהה, קנה מידה מואץ וכשל בטרם עת. מדוד את הפער, חשב את ה-OD המקסימלי המותר ובחר בהתאם. אם ה-OD הדרוש חורג מהמגבלה, העבר את המחמם או השתמש במספר תנורי חימום קטנים יותר. מרווח הבפל נועד לזרימה, לא למילוי המחמם הגדול ביותר האפשרי. כבד את הפער, גודל את המחמם, שמור על הזרימה. המחמם שלך יודה לך עם שנים של שירות.
