У резервоару са променљивим нивоом течности (нпр. серијска обрада, испаривачи, резервоари за гашење), предугачки ПФА грејач ће имати прекомерни део изложен зони паре на ниским нивоима течности, што ће изазвати прегревање и превремени квар. Потребна дужина грејача је одређена минималним нивоом течности, а не максималним. Безбедан дизајн одржава изложени део грејача (зона паре) на или испод 20-25% његове укупне дужине. За минимални ниво течности од 500 мм, максимална дужина грејача је 500 / (1 – 0,25)=667 мм. Ово осигурава да на најнижем нивоу, најмање 75% грејача остане потопљено, а изложени део ради на смањеној површинској температури. Ако је потребан дужи грејач за равномерно загревање при максималном пуњењу, инсталирајте више грејача у поређању или користите грејач са не-уједначеном густином у ватима (мања излазна снага у горњој зони).
Механизам прегревања парне зоне
У зони течности, коефицијент преноса топлоте (х) је типично 500–5000 В/м²·К. У зони паре (ваздух, пара или кисела пара), х пада на 10–100 В/м²·К. За грејач са уједначеном густином у ватима к (В/цм²), температура површине у зони паре је Т_вапор=Т_амбијент + к / х_вапор. За к=3 В/цм² (30.000 В/м²) и х_пару=30 В/м²·К, Т_пару=80 + 30,000/30=1,080 степени – немогуће. У стварности, грејач се самостално-регулише како отпор расте са температуром, али температура омотача ПФА и даље може да достигне 250–350 степени, изазивајући топљење или озбиљну деградацију. Топлотни флукс зоне безбедне паре је мањи или једнак 1,0 В/цм², што захтева к_вапор мање од или једнако 10.000 В/м². За уједначен грејач, к_вапор=к_течност. Стога, једини начин да се зона испарења очува безбедном јесте да се ограничи део изложеног грејача, тако да ефективна површина расипање топлоте у зони паре буде довољно велика да смањи стварни флукс. Али ако грејач има уједначену густину у ватима, изложени део и даље генерише исту снагу по јединици дужине. Пораст температуре зависи од х_паре, која је фиксна. Уместо тога, решење је да се користи дужи грејач са истом укупном снагом, тако да је густина у ватима (к) нижа преко целог грејача. За фиксну укупну снагу П, дужину Л, к=П / (π × Д × Л). Повећање Л смањује к пропорционално.
Метода израчунавања минималне дужине грејача
Нека:
Л_мин=минимални ниво течности (мм)
Л_хеатер=укупна дужина грејача (мм)
ф_екпосед=Л_екпосед / Л_хеатер=(Л_хеатер – Л_мин) / Л_хеатер=фракција изложена
к_десигн=густина вати (В/цм²) заснована на укупној снази и површини
За безбедан рад парне зоне, топлотни ток парне зоне мора бити мањи или једнак к_мак_вапор=1.0 В/цм². Међутим, ако грејач има уједначен к, зона паре види исти к. Због тога, грејач мора бити пројектован тако да изложени део буде мали, или да је укупни к довољно низак да чак и изложени део буде сигуран. Најпрактичнији приступ: дизајн са ниским укупним к (мањим или једнаким 1,5 В/цм²) и ограничењем ф_екпосед на мање од или једнако 0,25.
Правило: Л_хеатер Мање или једнако Л_мин / (1 – ф_мак), где је ф_мак=максимално дозвољена изложена фракција (обично 0,20–0,25). За Л_мин=500 мм, Л_грејач Мањи или једнак 500 / 0.75=667 мм.
Дужина грејача потребна за различите сценарије нивоа
| Минимални ниво течности (мм) | Максимални ниво течности (мм) | Препоручена дужина грејача (мм) | Изложена фракција на минималном нивоу (%) | Укупни к (В/цм²) при 6 кВ, 25 мм ОД | Вапор Зоне Сафети |
|---|---|---|---|---|---|
| 500 | 2,000 | 650 | 23% | 4,7 (превисоко) | Небезбедно осим ако је к смањен |
| 500 | 2,000 | 1,200 | 58% | 2.5 | Небезбедно (изложено превисоко) |
| 500 | 2,000 | 650 (само са 3 кВ) | 23% | 2.35 | Прихватљиво (к низак) |
| 800 | 2,000 | 1,000 | 20% | 3.0 | Маргина (к на граници) |
| 800 | 2,000 | 1200 (са смањеном снагом) | 33% | 2.0 (смањено) | Прихватљиво |
| 1,000 | 3,000 | 1,250 | 20% | 2.4 | Добро |
Ако је потребна дужина грејача за потпуну покривеност на максималном нивоу много већа од безбедне дужине на минималном нивоу, решење је вишеструко распоређени грејачи. На пример, користите кратак грејач (650 мм) монтиран на дну, средњи грејач (1.200 мм) постављен више и дуги грејач (2.000 мм) на врху. Само доњи грејач ради када је ниво низак; сви раде када су пуни.
Пример поља
A waste evaporator had a minimum liquid level of 600 mm and a maximum of 2,500 mm. A single 2,000 mm PFA heater was installed. At minimum level, 1,400 mm (70%) was exposed to vapor. The heater failed within 3 months. 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 >1.800 мм. Ниједан грејач никада није имао више од 20% изложености. Сва три грејача су трајала 5+ година.
Не-уједначена густина вати као алтернатива
Ако више грејача није могуће, наведите један грејач са не-уједначеном густином у ватима: горњих 30% дужине грејача производи само 20% снаге по јединици дужине, док доњих 70% производи 80%. Ово се може постићи променом нагиба отпорне жице (видети члан #25). На минималном нивоу, изложени горњи део има нижи топлотни ток, смањујући температуру површине. Овај дизајн додаје 20–30% производним трошковима, али омогућава да се један грејач прилагоди различитим нивоима.
Закључак: Основна дужина грејача на минималном нивоу течности са 20–25% дозвољене експозиције
Да би се избегло прегревање зоне паре, дужина ПФА грејача за резервоар са променљивим нивоом течности мора се израчунати на основу минималног нивоа течности, а не максималног. Безбедан дизајн одржава изложену фракцију на или испод 20–25% на минималном нивоу. За минимални ниво од 500 мм, максимална дужина грејача је 650–670 мм. Ако је потребан дужи грејач за уједначеност процеса, користите више грејача у поређању или грејач не-неједнаке густине у ватима. Један дуги грејач који ради са великом изложеном фракцијом ће отказати у року од неколико месеци. Ниво варира, али толеранција грејача на излагање не. Одредите га за најгори случај или додајте вишак. Век трајања вашег грејача зависи од најнижег нивоа, а не од највишег.
