Как да изчислим необходимата дължина на PFA нагревателя за резервоар с минимално ниво на течност от 500 mm и максимално ниво от 2000 mm без прегряване на парната зона?

PFA нагревател, който е прекалено дълъг, ще има прекомерно количество, изложено на парната зона при ниски нива на течност в резервоар с променящи се нива на течност (като партидна обработка, изпарители или резервоари за охлаждане), което води до прегряване и ранна повреда. Минималното ниво на течността-а не максималното-определя необходимата дължина на нагревателя. Безопасният дизайн поддържа откритата секция на нагревателя (парна зона) на или под 20–25% от общата му дължина. Максималната дължина на нагревателя е 500 / (1 – 0,25)=667 mm за минимално ниво на течността от 500 mm. Това гарантира, че откритата част работи при по-ниска повърхностна температура и че поне 75% от нагревателя остава потопен на най-ниското ниво. Инсталирайте няколко раздалечени нагревателя или използвайте нагревател с не-равномерна плътност на ватовете (по-ниска изходна мощност в горната зона), ако е необходим по-дълъг нагревател за постоянно нагряване при максимално запълване.

Механизъм на прегряване на парната зона
Коефициентът на топлопреминаване (h) в течната зона обикновено е между 500 и 5000 W/m²·K. H намалява до 10–100 W/m²·K в зоната на парите (въздух, пара или киселинни пари). Повърхностната температура в зоната на парите на нагревател с равномерна плътност на ватовете q (W/cm²) е T_vapor=T_ambient + q / h_vapor. T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 градуса е невъзможно за q=3 W/cm² (30 000 W/m²) и h_vapor=30 W/m²·K. Температурата на PFA обвивката все още може да надвишава 250–350 градуса, което може да доведе до топене или сериозна повреда, въпреки че нагревателят наистина се само-регулира, тъй като съпротивлението нараства с температурата. Тъй като топлинният поток в зоната на безопасна пара е по-малък или равен на 1,0 W/cm², q_vapor трябва да бъде по-малък или равен на 10 000 W/m². q_vapor=q_liquid за равномерен нагревател. За да се гарантира, че ефективната площ на разсейване на топлината в зоната на парите е достатъчно голяма, за да намали действителния поток, единственият метод за поддържане на зоната на парите безопасна е да се ограничи частта от изложения нагревател. Въпреки това, откритата част все още произвежда същото количество електричество на единица дължина, при условие че нагревателят има еднаква плътност във ватове. Повишаването на температурата зависи от фиксираната h_vapor. По-скоро може да се използва по-дълъг нагревател със същата обща мощност, за да се намали плътността на ватовете (q) в целия нагревател. q=P / (π × D × L) за зададена обща мощност P и дължина L. Q намалява пропорционално с увеличаване на L.

Метод за определяне на минималната дължина на нагревателя Нека:

L_min е най-ниското ниво на течността в милиметри.

L_heater е общата дължина на нагревателя (mm).

f_exposed=L_exposed / L_heater=проценти изложени=(L_heater – L_min) / L_heater

q_design е плътността на ватовете (W/cm²), определена от повърхността и общата мощност.

Топлинният поток на парната зона трябва да бъде по-малък или равен на q_max_vapor=1.0 W/cm² за безопасно функциониране на парната зона. От друга страна, парната зона изпитва същото q, ако нагревателят има еднакво q. В резултат на това нагревателят трябва да бъде изграден с малка открита част или ниско общо q, така че дори откритата част да е безопасна. Най-разумната стратегия е да се намали f_exposed до По-малко или равно на 0,25 и да се проектира с ниско общо q (По-малко или равно на 1,5 W/cm²).

Като общо правило, L_heater < L_min / (1 – f_max), където f_max е максимално разрешената експонирана фракция (обикновено между 0,20 и 0,25). L_heater По-малко или равно на 500 / 0.75=667 mm за L_min=500 mm.

Необходима дължина на нагревателя за ситуации на различни нива
Минимално ниво на течност (mm) Максимално ниво на течност (mm) Препоръчителна дължина на нагревателя (mm) Минимално ниво на изложена фракция (%) Общо q (W/cm²) при 6 kW, 25 mm OD Безопасност на зоната на изпаренията 500 2,000 650 23% 4,7 (твърде високо) Небезопасно, освен ако q не се намали 500 2,000 1,200 58% 2,5 Несигурно (изложено твърде високо) 500 2,000 650 (само с 3 kW) 23% 2,35 Приемливо (q ниско) 800 2,000 1,000 20% 3,0 Пределно (q при ограничение) 800 2,000 1,200 (с намалена мощност) 33% 2,0 (намалена) Приемливо 1,000 3,000 1,250 20% 2,4 Добро
Множеството шахматно разположени нагреватели са отговорът, ако необходимата дължина на нагревателя за пълно покритие при максимално ниво е значително по-голяма от безопасната дължина при минимално ниво. Например, поставете среден нагревател (1200 mm) по-високо, дълъг нагревател (2000 mm) отгоре и къс нагревател (650 mm) отдолу. Когато нивото е ниско, работи само долният нагревател; когато е пълно, всички работят.

Пример в полето
The minimum liquid level in a waste evaporator was 600 mm, while the highest was 2,500 mm. There was only one 2,000 mm PFA heater installed. 1,400 mm (70%) was exposed to vapor at the lowest level. Within three months, the heater broke down. The plant replaced it with three heaters: 600 mm (1.5 kW), 1,200 mm (2 kW), and 2,000 mm (2.5 kW), each with level sensors. The 600 mm heater only turned on when level >650 mm. The 2,000 mm heater only turned on when level >1800 мм. Никой нагревател не е виждал повече от 20% експозиция. И трите нагревателя издържаха 5+ години.

Не{0}}равномерна ватова плътност като алтернатива
Ако множество нагреватели не са практични, посочете един нагревател с не-равномерна плътност на вата: горните 30% от дължината на нагревателя осигуряват само 20% от мощността на единица дължина, докато долните 70% произвеждат 80%. Това може да стане чрез промяна на стъпката на съпротивителния проводник (вижте член #25). Откритата горна зона има намален топлинен поток на минимално ниво, което понижава повърхностната температура. Въпреки че този дизайн увеличава производствените разходи с 20–30%, той позволява на един нагревател да се справя с различни настройки.

В заключение, дължината на основния нагревател с минимално ниво на течността от 20–25% допустима експозиция
За да се избегне прегряване на парната зона, дължината на PFA нагревателя за резервоар с променящо се ниво на течността трябва да се определя от минималното ниво на течността, а не от максималното. Безопасният дизайн поддържа процента на излагане на или под 20–25% на минимално ниво. Максималната дължина на нагревателя е 650–670 mm при минимално ниво от 500 mm. Използвайте нагревател с не-равномерна плътност на вата или няколко разпределени нагревателя, ако е необходим по-дълъг нагревател за равномерност на процеса. В рамките на месеци един-единствен дълъг нагревател с висока изложена фракция ще се повреди. Толерансът на излагане на нагревателя не се променя, както нивото. Добавете излишък или го оразмерете за най-лошия{12}}случай. Най-ниското ниво, а не най-високото, определя колко дълго ще издържи вашия нагревател.