מפעל כימי איבד מחמם טבילה של 6 קילוואט PTFE כאשר אימפלר משאבת מחזור נשחק והזרימה ירדה בכ-60%. טמפרטורת הנוזל בתפזורת נשארה בטווח של 3 מעלות מנקודת ההגדרה. הבקר לא ראה בעיה. אבל טמפרטורת פני המחמם טיפסה מעבר לנקודה שבה הנוזל על פני השטח החל להתאדות. שמיכת אדים נוצרה, העברת החום קרסה, וה-PTFE עלה שלפוחיות ונסדק תוך שעות.
שמיכת אדים היא מצב הכשל הפתאומי ביותר עבור תנור טבילה PTFE. בניגוד לחלחול או עייפות, המתפתחים במשך חודשים, שמיכה יכולה להרוס מחמם במשמרת אחת. הטריגר הוא כמעט תמיד ירידה במהירות הזרימה במשטח המחמם-המצב שקובע אם החום יכול לעזוב את המחמם מהר מספיק כדי להישאר מתחת לנקודת הרתיחה של הנוזל.
מדוע שמיכת אדים מתרחשת לפני רתיחה בתפזורת
רתיחה בתפזורת מתרחשת כאשר הנוזל כולו מגיע לנקודת הרתיחה שלו. שמיכת אדים מתרחשת במשטח המחמם בזמן שהנוזל בתפזורת נשאר הרבה מתחת לרתיחה. המנגנון פשוט: טמפרטורת פני החימום תמיד גבוהה יותר מטמפרטורת הנוזל בתפזורת. אם ההפרש גדול מספיק, הנוזל במגע עם המחמם מגיע לנקודת הרתיחה שלו למרות שהנוזל שמסביב לא.
עבור מים ב-80 מעלות, נקודת הרתיחה היא 100 מעלות בלחץ אטמוספרי. תנור חימום הפועל ב-25 מעלות מעל התפזורת יושב ב-105 מעלות -מעל נקודת הרתיחה המקומית. נוצרות בועות אדים על משטח המחמם. אם הזרימה מספקת, הבועות מתנתקות וקורסות בנוזל התפזורת הקריר יותר. אם הזרימה חלשה, הבועות מתלכדות לשמיכת אדים המבודדת את המחמם.
ברגע שהשמיכה נוצרת, העברת החום קורסת. טמפרטורת פני החימום עולה, לעתים קרובות תוך שניות, לטווח הפירוק של PTFE. הפולימר מתרכך, יוצר שלפוחיות ונסדק. הכישלון הוא בלתי הפיך.
| מהירות זרימה במחמם | מחמם ΔT ב-1.2 W/cm² | טמפ' מחמם ב-80 מעלות נפח | סיכון שמיכת אדים | מהירות בטוחה מינימלית |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6-10 מעלות | 86–90 מעלות | אַף לֹא אֶחָד | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10-15 מעלות | 90-95 מעלות | נָמוּך | הוֹלֵם |
| 0.15–0.3 m/s | 15-22 מעלות | 95-102 מעלות | לְמַתֵן | שׁוּלִי |
| 0.05–0.15 m/s | 22-35 מעלות | 102-115 מעלות | גָבוֹהַ | מתחת למינימום |
| <0.05 m/s | 35-50 מעלות | 115-130 מעלות | גבוה מאוד | מְסוּכָּן |
מהירות זרימה וסיכון שמיכת אדים עבור מחממי טבילה PTFE באמבטיות מימיות ב-80 מעלות
סף המהירות המינימלית
מהירות הזרימה המינימלית הנדרשת למניעת שמיכת אדים תלויה בנוזל, בצפיפות הוואט ובטמפרטורת התפזורת. עבור אמבטיות המבוססות על מים- ב-60-80 מעלות וצפיפות וואט של 1.0-1.5 W/cm², בדרך כלל מספיקה מהירות פני השטח של המחמם של לפחות 0.15 m/s כדי לנתק בועות אדים לפני שהן מתאחות.
מתחת ל-0.15 מ' לשנייה, השוליים מצטמצמים במהירות. ב-0.1 מ"ש לשנייה, מרווח החימום-ל-הנפח יכול לעלות על 25 מעלות, מה שדוחף את טמפרטורת פני המחמם מעבר לנקודת הרתיחה המקומית באמבטיות מעל 70 מעלות. ב-0.05 מטר לשנייה-בפועל עומד{10}}הפער יכול לעלות על 40 מעלות, ושמיכת אדים מתחילה באמבטיות מעל 60 מעלות.
עבור נוזלים צמיגים, המהירות המינימלית גבוהה יותר. נוזל עם צמיגות פי שלושה מהמים דורש בערך פי 1.5 מהמהירות כדי להשיג את אותו עובי שכבת גבול. עבור ניקל סולפאמט ב-55 מעלות, המהירות המינימלית לפעולה בטוחה ב-1.2 W/cm² היא בערך 0.25 m/s.
| סוג נוזל | צמיגות בטמפ' פעולה | מהירות מינימלית של 1.0 W/cm² | מהירות מינימלית של 1.5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| מַיִם | 0.5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| חומצה מדוללת | 0.7 mPa·s | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| וואט ניקל | 2.0 mPa·s | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| ניקל סולפאמט | 3.5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| ניקל ללא אלקטרו | 4.5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
מהירויות זרימה מינימליות למניעת שמיכת אדים במתקני תנור טבילה PTFE
מדוע מדידות זרימה ברמות-מטעות
מהירות הזרימה במשטח המחמם נמוכה כמעט תמיד מהמהירות הממוצעת של המיכל.- צינורות מזרזים ומחנכים ממוקמים כדי להעביר נוזל סביב חלקי עבודה, לא סביב תנורי חימום. תנור החימום לרוב יושב בפינה, מאחורי מוביל מתלה, או על קיר מול פתח הכניסה שבו המהירות המקומית היא שבריר מהממוצע בתפזורת.
מדידות שדה במיכלי ציפוי מציגות באופן עקבי מהירויות רמת -מחמם 30-70% מתחת לממוצע המיכל. באזורים מתים, ההפחתה יכולה להיות 80-90%. מיכל עם מהירות נומינלית של 0.3 מ' לשנייה עשוי להיות רק 0.05-0.1 מ' לשנייה על פני המחמם.
זו הסיבה שלא ניתן להשתמש במדידות זרימת רמת-טנק כדי לאמת פעולה בטוחה של תנור החימום. יש לבצע את המדידה במיקום המחמם, או שהמחמם חייב להיות ממוקם באזור זרימה- גבוה ידוע עם שוליים נאותים.
אמצעים מעשיים לשמירה על מהירות בטוחה
מקם את המחמם בנתיב הזרימה הראשי. המהירות הגבוהה ביותר והזרימה האחידה ביותר מתרחשות במרכז המיכל או ישירות בקנה אחד עם כניסת המחזור. הימנע מפינות, מאחורי מבלבול, וליד מתקפת הגלישה.
השתמש במחנך ייעודי או בצינור זבל המכוון למחמם. פיית eductor קטנה הממוקמת 150-250 מ"מ מהמחמם ומכוונת לאורך משטח המחמם מעלה את המהירות המקומית ל-0.3-0.5 מ"ש. זוהי השיטה האמינה ביותר לשמירה על מהירות בטוחה במחמם.
התקן מתג זרימה או חיישן הפרש לחץ כדי לזהות אובדן מחזור. מתג זרימה בקו פריקת המשאבה מנתק את החשמל למחמם אם הזרימה יורדת מתחת לסף הבטוח. המתג צריך להיות בלתי תלוי במערכת הבקרה הראשית ועליו לדרוש איפוס ידני.
הפחת את צפיפות הוואטים באזורי-זרימה נמוכים. אם המחמם חייב לפעול במקום שבו לא ניתן לשמור על זרימה מעל 0.15 מ"ש/שנייה, יש להפחית את צפיפות הוואט כדי לשמור על טמפרטורת פני החימום מתחת לנקודת הרתיחה המקומית. באזורים עומדים, צפיפות הוואט הבטוחה היא 0.6-0.8 W/cm².
כאשר תנורי חימום סטנדרטיים אינם יכולים לשמור על מהירות בטוחה
מיכלים עם קיבוע פנימי מורכב וזרימה מוגבלת לרוב אינם יכולים לספק את מהירות הזרימה שדורשת פעולת דוד בטוח. דוד שפועל היטב בנפח המיכל הראשי עלול להיות מורעב מזרימה בפינה או מאחורי מתקן.
תצורת דוד טבילה מותאמת אישית של PTFE עם מיקום-מותאם לזרימה, מחנך ייעודי וצפיפות וואט נמוכה יותר מטפלת בשורש הרעב של הזרימה. תהליך המפרט דורש את מידות המיכל, פריסת מחזור הדם, מיקום המחמם, כימיית האמבט וההספק הנדרש. עבור מתקנים עם מיכלים מרובים, גישה ספציפית ליישום-מפחיתה את הסיכון לכיסוי אדים ומאריכה את חיי השירות של המחמם.
