מיכל כימי יכול להיות בעל כוח מחמם מספיק ועדיין להיאבק להגיע לטמפרטורת תהליך אחידה. סיבה נפוצה היא זרימת נוזלים לא מספקת סביבדוד טבילה PTFE.
כאשר נוזל מחומם נשאר קרוב למשטח המחמם במקום לנוע במיכל, מתפתחים שיפועים בטמפרטורה. הבקר עשוי לדווח על טמפרטורת היעד בעוד אזורים קרים יותר נשארים במקומות אחרים במיכל התהליך.
עבור ציוד כימי, יש להתייחס לבחירת מחממים ולתנועת נוזלים כבעיית עיצוב תרמית אחת-.
החום חייב להתרחק מהמחמם
מחמם טבילה ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית על פני השטח הפעילים שלו. הנוזל שמסביב חייב אז לשאת את החום הזה.
יחסי העברת חום-פשוטים הם:
Q=hAAT
אֵיפֹהQמועבר חום,hהוא מקדם העברת החום-היעיל,Aהוא חימום שטח פנים, וΔTהוא הפרש הטמפרטורה בין משטח החימום לנוזל שמסביב.
זרימת נוזלים משפיעהh. כאשר הזרימה סביב המחמם חלשה, שכבת הגבול התרמית יכולה להיות עבה יותר והעברת החום עשויה להיות פחות יעילה.
המחמם עשוי עדיין לצרוך את הכוח החשמלי הצפוי, אך חלוקת הטמפרטורה בתוך המיכל עלולה להיות לא אחידה.
הסעה טבעית לא תמיד מספיקה
כאשר הנוזל ליד המחמם מתחמם, הצפיפות שלו יכולה להשתנות וייתכן שתתחיל הסעה טבעית. זה יכול ליצור סירקולציה ללא משאבה.
עם זאת, היעילות של הסעה טבעית תלויה בתכונות הנוזל, הבדלי הטמפרטורה, הגיאומטריה של המיכל, כיוון המחמם וצמיגות.
נוזל בצמיגות- נמוכה במיכל עמוק עשוי להסתובב בקלות יחסית. תמיסה כימית מרוכזת או צמיגה יכולה להתנהג אחרת.
זו הסיבה שלא ניתן לצפות אוטומטית שמתנור שמתפקד היטב באמבט כימי אחד יספק את אותה אחידות טמפרטורה באמבט אחר עם תכונות נוזל שונות.
מחזוריות מכנית משנה את הסביבה התרמית
משאבות, ערבולים וזרימת תהליך יכולים להגביר משמעותית את תנועת הנוזל סביב משטח החימום.
השיקול החשוב אינו רק קצב זרימת המשאבה הנומינלית. גם כיוון הזרימה והמהירות המקומית מסביב למחמם חשובים.
לדוגמה, קו החזרה עשוי ליצור זרימה חזקה ליד צד אחד של המיכל תוך השארת הצד הנגדי במצב קבוע יחסית.
באופן דומה, תנור חימום המותקן ישירות מול זרם פריקה חזק עלול לחוות תנאי העברת חום-שונים מאוד ממחמם אחר הממוקם בפינת זרימה נמוכה-.
לכן יש להעריך את מיקום המחמם יחד עם דפוס המחזור.
מיקום המחמם יכול להשפיע על מחזור הדם
A דוד טבילה PTFEמותקן קרוב מדי לקיר המיכל יכול להגביל את תנועת הנוזל סביב חלק ממשטח החימום שלו.
צינורות פנימיים ורכיבים מבניים יכולים ליצור אזורים מתים דומים.
עבור מיכל קומפקטי, יש לבדוק מספר ממדים:
מחמם-ל-מרווח קיר
מחמם-ל-מרווח תחתון
מרחק מהצנרת הפנימית
מרחק משקעי מחזור
מרחק מאזורי טעינת חלקי העבודה
כיוון מדור החימום הפעיל
המטרה היא לשמור על חילופי נוזלים נאותים סביב המשטח הפעיל מבלי ליצור הגבלות זרימה מיותרות.
אזור חימום ומחזור עובדים ביחד
שקול דרישת חימום לדוגמה של 12 קילוואט.
| סידור חימום | כּוֹחַ | אזור פעיל | שטף חום ממוצע | מצב מחזור |
|---|---|---|---|---|
| אזור קומפקטי | 12 קילוואט | 0.60 m² | 20 קילוואט/מ"ר | חַלָשׁ |
| אזור מבוזר | 12 קילוואט | 1.20 m² | 10 קילוואט/מ"ר | לְמַתֵן |
| אזור מבוזר | 12 קילוואט | 1.20 m² | 10 קילוואט/מ"ר | חָזָק |
שטף החום הממוצע מחושב מ:
q = P/A
נתונים אלה הם להמחשה ולא גבולות הפעלה אוניברסליים.
ההשוואה מראה מדוע כוח לבדו אינו מתאר ביצועים תרמיים. אותם 12 קילוואט יכולים לייצר תנאי הפעלה שונים בהתאם לאזור החימום ולתנועת הנוזל.
זרימת דם לקויה יכולה לעוות את בקרת הטמפרטורה
נניח שחיישן טמפרטורה ממוקם בחלק-מעורב היטב של המיכל בזמן שהמחמם יושב באזור זרימה- נמוכה.
החיישן עשוי להגיע לטמפרטורת היעד לאט, מה שיגרום לבקר לשמור על חימום למשך זמן רב יותר. בינתיים, הנוזל שמקיף את המחמם יכול להיות חם משמעותית מטמפרטורת הכמות הנמדדת.
המצב ההפוך יכול להתרחש גם כאשר החיישן ממוקם קרוב לנתיב זרימה חזק בעוד אזור אחר נשאר מעורב בצורה גרועה.
מיפוי טמפרטורה במספר נקודות יכול לסייע בזיהוי תנאים אלו במהלך ההפעלה.
צמיגות הופכת את מחזור הדם לחשוב יותר
ריכוז כימי יכול להשפיע על הצמיגות. ככל שהצמיגות עולה, תנועת הנוזלים עלולה להיות קשה יותר והסעה טבעית עלולה להיחלש.
זה יכול להגביר את החשיבות של סירקולציה מכנית, במיוחד כאשר נדרש כוח חימום משמעותי.
לכן אין להתאים תהליך עם צמיגות גבוהה באמצעות מים-כמו הנחות מחזור מבלי לבדוק את תכונות הנוזל בפועל.
התכנון התרמי צריך לשקול צפיפות, צמיגות, קיבולת חום ספציפית, טמפרטורת הפעלה ושיטת מחזור.
כיצד להעריך מחזור במהלך הבחירה
ניתן לכלול מספר שאלות מעשיות במפרט הציוד:
מהו קצב זרימת התהליך הרגיל?
היכן נוזל נכנס ויוצא מהמיכל?
האם ערבול מכני זמין?
באילו אזורים במיכל יש זרימת דם חלשה?
היכן יותקן המחמם?
היכן תימדד הטמפרטורה?
האם הצמיגות משתנה באופן משמעותי עם הטמפרטורה או הריכוז?
פרטים אלה עוזרים לקבוע אם אזור חימום מבוזר אחד או כמה אזורים קטנים יותר מתאימים יותר.
יש לשקול מחזור לפני הגדלת הכוח
אם למיכל יש אחידות טמפרטורה ירודה, פשוט הגדלת הספק המחמם יכולה להגדיל את העומס התרמי המקומי מבלי לפתור את בעיית המחזור הבסיסית.
גישה טובה יותר היא לבחון את שטח פני החימום, מיקום המחמם, כיוון הזרימה, מיקום חיישן הטמפרטורה-ומאפייני הנוזל ביחד.
עבור אדוד טבילה PTFE, העברת חום יעילה תלויה ביותר מאשר קלט חשמלי. תנועת נוזלים נאותה מסייעת להעביר חום ממשטח ה-PTFE לתוך נפח התהליך ותומכת בטמפרטורת אמבטיה עקבית יותר.
כאשר מחזור הדם מוגבל, גיאומטריית המיכל אינה סדירה, או שלתמיסה הכימית יש צמיגות גבוהה, ניתן לפתח סידור מחמם מותאם אישית סביב דפוס הזרימה בפועל, אזור החימום הפעיל, עומק הטבילה וטמפרטורת התהליך הנדרשת.
