На химическом заводе использовался технологический резервуар емкостью 2500-литров, высотой 2200 мм и диаметром 1200 мм. Погружной нагреватель из ПТФЭ был установлен вертикально вдоль стенки резервуара. Нагреватель вышел из строя всего через семь месяцев эксплуатации, при этом вздутия сосредоточились в верхней трети обогреваемой секции. В резервуаре не было механического перемешивания — для распределения тепла использовалась естественная конвекция. Термическое расслоение, возникшее в высоком резервуаре, создало горячий слой вверху и холодный слой внизу, а верхняя часть нагревателя работала в горячем слое.
Термическая стратификация происходит, когда в жидкости образуются стабильные слои с разными температурами. Слои не смешиваются, потому что более теплая и менее плотная жидкость остается поверх более холодной и плотной жидкости. В высоком резервуаре со слабой циркуляцией стратификация может быть серьезной.
Почему высокие танки стратифицируются
Стратификация обусловлена плавучестью. Когда погружной нагреватель из ПТФЭ нагревает жидкость возле стенок резервуара, нагретая жидкость поднимается. В коротком резервуаре поднимающаяся жидкость быстро достигает поверхности и распространяется, смешиваясь с основной массой. В высоком резервуаре поднимающаяся жидкость образует устойчивый слой вверху. Слой углубляется по мере накопления более нагретой жидкости.
В высоком резервуаре без перемешивания разница температур между верхним и нижним слоями может достигать 15–25 градусов. Верхний слой более теплый и менее плотный. Нижний слой более прохладный и плотный. Граница между слоями представляет собой устойчивую границу, препятствующую перемешиванию.
| Высота резервуара | Отношение высоты-к-диаметру | Смешивание с естественной конвекцией | От верха-до-низа ΔT | Риск стратификации |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Хороший | 3–6 градусов | Низкий |
| 1000–1500 мм | от 1:1 до 1,5:1 | Умеренный | 6–12 градусов | Умеренный |
| 1500–2000 мм | от 1,5:1 до 2:1 | Бедный | 12–18 градусов | Высокий |
| >2000 мм | >2:1 | Очень плохо | 18–25 градусов | Очень высокий |
Высота резервуара и риск расслоения в технологических резервуарах
Почему расслоение сокращает срок службы нагревателя из ПТФЭ
Нагреватель работает в стратифицированной среде. Нижняя часть нагревателя находится в более холодной и плотной жидкости. Верхняя часть находится в более теплой и менее плотной жидкости. Верхняя секция работает при более высокой температуре, чем нижняя секция.
Более высокая температура ускоряет каждый механизм деградации. Проникновение, окисление и отложение накипи увеличиваются с повышением температуры. Верхняя часть нагревателя изнашивается быстрее, чем нижняя. Волдыри концентрируются вверху.
Расслоение также уменьшает движущую силу теплопередачи. Жидкость в верхней части бака уже теплая, поэтому разница температур между нагревателем и жидкостью меньше. Нагреватель должен нагреваться сильнее, чтобы обеспечить такое же количество тепла, что еще больше ускоряет деградацию.
Почему естественная конвекция не может преодолеть стратификацию
Естественная конвекция обусловлена разницей плотностей между нагретой и более холодной жидкостью. В высоком резервуаре разница плотностей недостаточно велика, чтобы преодолеть устойчивую слоистость. Нагретая жидкость поднимается и остается наверху. Он не смешивается с охлаждающей жидкостью ниже.
Стратификация становится более устойчивой по мере увеличения разницы температур. Разница в 15 градусов между верхним и нижним слоями создает разницу в плотности, препятствующую смешиванию. Слои остаются стабильными до тех пор, пока механическое перемешивание или возмущение не разрушат их.
Предотвращение расслоения в высоких резервуарах
Наиболее эффективной профилактикой является механическое встряхивание. Циркуляционный насос, эдуктор или барботажная труба могут разрушить стабильные слои и перемешать резервуар. Перемешивание должно быть достаточным, чтобы перевернуть объем резервуара за разумное время. Скорость оборота 2–4 раза в час достаточна для большинства технологических резервуаров.
Нагреватель с более низкой удельной мощностью уменьшает разницу температур между нагревателем и жидкостью. Более низкая температура поверхности уменьшает расслоение, вызванное плавучестью-, и замедляет разрушение верхней секции нагревателя.
Несколько нагревателей, расположенных на разной высоте в резервуаре, обеспечивают более равномерный нагрев и уменьшают температурный градиент. Нагреватели внизу нагревают более холодную жидкость, а нагреватели вверху поддерживают более теплую жидкость. Результатом является более равномерный температурный профиль.
| Меры профилактики | Влияние на стратификацию | Выполнение | Расходы |
|---|---|---|---|
| Механическое перемешивание | Разбивает слои | Насос, эдуктор или барботаж | Умеренный |
| Меньшая плотность ватт | Снижает плавучесть | Конструкция обогревателя | Умеренный |
| Несколько обогревателей на разной высоте. | Равномерное отопление | Расположение обогревателя | Выше |
| Изоляция резервуара | Уменьшает потери тепла | Изоляция | Умеренный |
Меры по предотвращению термического расслоения в высоких технологических резервуарах
Когда расслоение указывает на проблему проектирования
Высокий резервуар, который расслояется, несмотря на механическое перемешивание, указывает на то, что перемешивание не достигает полного объема резервуара или что расположение нагревателя не соответствует геометрии резервуара. Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с несколькими нагревателями на разной высоте, меньшей удельной мощностью и оптимизированной по потоку компоновкой устраняет основную причину расслоения. Для процесса спецификации требуются размеры резервуара, метод перемешивания, требования к однородности температуры и требуемая мощность. На предприятиях с высокими технологическими резервуарами этот-подход, ориентированный на конкретное применение, уменьшает расслоение и продлевает срок службы нагревателя.
