На заводе по отделке металла были установлены идентичные погружные нагреватели из ПТФЭ мощностью 5 кВт в двух очистительных баках одинакового размера и химического состава. В одном резервуаре использовалось барботирование воздуха со скоростью 2 кубических фута в минуту на погонный метр. Другой полагался на периодическое ручное перемешивание. Оба нагревателя работали при мощности 1,4 Вт/см². Барботажный нагреватель прослужил четыре года. Нагреватель без перемешивания вышел из строя через одиннадцать месяцев. Та же мощность. Та же ванна. Другой поток.
Скорость перемешивания — это переменная, которая преобразует номинальную плотность в ваттах в фактическое безопасное рабочее состояние. Показатель плотности ватт в таблице данных предполагает некоторый базовый расход. Когда фактический поток в нагревателе падает ниже этого предположения, безопасная плотность ватт падает-, и нагреватель расплачивается за это.
Пограничный слой: где на самом деле происходит теплопередача
Тепло покидает нагреватель через тонкую пленку жидкости, называемую тепловым пограничным слоем. В этом слое тепло передается за счет проводимости, а не конвекции. Чем тоньше слой, тем быстрее уходит тепло и тем ниже температура поверхности нагревателя при заданной плотности ватт.
Скорость потока контролирует толщину пограничного слоя. При скорости 0,5 м/с слой может быть менее 1 мм. При скорости 0,05 м/с-эффективно застаивается-может вырасти до 3–5 мм. Более толстый слой означает более высокое термическое сопротивление, что означает более высокую температуру поверхности нагревателя при той же выходной мощности.
Отношения не являются линейными. Уменьшение скорости потока вдвое не приводит к удвоению толщины пограничного слоя. Но в диапазоне низких- скоростей, типичном для гальванических резервуаров с плохим перемешиванием, небольшие изменения потока приводят к большим изменениям в теплопередаче. Вот почему нагреватель, который хорошо работает в одном резервуаре, преждевременно выходит из строя в другом с такой же удельной мощностью, но с более слабым перемешиванием.
| Локальная скорость потока | Толщина пограничного слоя | Коэффициент теплопередачи | Нагреватель ΔT при 1,2 Вт/см² | Безопасная плотность ватт |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | <1 mm | Высокий | 6–10 градусов | 1,6–2,0 Вт/см² |
| 0.2–0.5 m/s | 1–2 мм | Умеренный–высокий | 10–16 градусов | 1,3–1,6 Вт/см² |
| 0.1–0.2 m/s | 2–3 мм | Умеренный | 16–24 градуса | 1,0–1,3 Вт/см² |
| <0.05 m/s | 3–5 мм | Низкий | 24–40 градусов | 0,6–0,9 Вт/см² |
Зависимость скорости потока и плотности ватт для водных технологических ванн при температуре 50–80 градусов.
Почему-перемешивание уровня в резервуаре не равно расходу уровня в нагревателе-
Распространенной ошибкой спецификации является предположение, что перемешивание резервуара достигает нагревателя. Барботажные трубы расположены так, чтобы жидкость перемещалась вокруг заготовок, а не вокруг нагревателей. Эдукторы направлены на зону процесса. Нагреватель расположен в углу, за направляющей стойки или под передаточным механизмом, где поток составляет часть среднего объема.
Полевые измерения в гальванических резервуарах неизменно показывают, что локальная скорость на поверхности нагревателя на 30–70 % ниже, чем средняя скорость в резервуаре-. В мертвых зонах-углы, за перегородками, под светильниками-она может быть на 80–90 % ниже.
Вот почему выбор плотности мощности на основе перемешивания на уровне резервуара-завышает безопасный предел. Нагреватель работает в проточной среде, значительно хуже, чем в наливном резервуаре. Плотность ватт, которая работает в основном объёме, не работает на нагревателе.
Методы агитации и их охват
Различные методы перемешивания обеспечивают разные характеристики потока на поверхности нагревателя.
Барботирование воздухом является наиболее распространенным методом. Он эффективен при объемном перемешивании, но создает локализованную турбулентность вблизи барботажной трубы, которая затухает с расстоянием. Нагреватель, расположенный на расстоянии 300 мм от барботера, может воспринимать только 20–30% скорости, измеренной на трубе.
Эдукторная циркуляция обеспечивает более направленный поток. Сопло, направленное на поверхность нагревателя, подает концентрированную струю, сохраняющую скорость на большем расстоянии. Это наиболее эффективный метод улучшения потока в определенном месте.
Перемещение заготовки-вращение барабана или колебание стойки- способствует объемному перемешиванию, но редко создает значительную скорость на поверхности нагревателя, если только заготовки не проходят близко к нагревателю.
Рециркуляция насоса со специальным отсеком для нагревателя обеспечивает наиболее равномерный поток. Небольшой насос забирает жидкость из резервуара и нагнетает ее через нагреватель, поддерживая постоянную скорость независимо от других перемешиваний. Такое расположение распространено в больших гальванических резервуарах, где надежность нагревателя имеет решающее значение.
| Метод перемешивания | Скорость у нагревателя (расстояние 300 мм) | Возможно увеличение плотности мощности | Стоимость оборудования | Лучшее приложение |
|---|---|---|---|---|
| Никакого волнения | <0.05 m/s | Базовый уровень | Никто | Не рекомендуется |
| Барботирование воздуха, общее | 0.05–0.1 m/s | +0.1–0,2 Вт/см² | Низкий | Маленькие танки |
| Барботирование воздуха, направленное | 0.1–0.2 m/s | +0.2–0,3 Вт/см² | Низкий | Большинство обшивочных танков |
| Эдуктор на нагревателе | 0.3–0.5 m/s | +0.3–0,5 Вт/см² | Умеренный | Вязкие ванны |
| Выделенная рециркуляция | 0.4–0.6 m/s | +0.4–0,6 Вт/см² | Выше | Критические приложения |
Данные о скорости и плотности ватт, полученные в результате полевых измерений в резервуарах для гальванического покрытия и химической обработки.
Сопоставление плотности мощности с фактическим уровнем расхода нагревателя-
Практический подход заключается в измерении или оценке скорости потока в месте расположения нагревателя, а не средней скорости потока в резервуаре. Если измерение нецелесообразно, используйте консервативные оценки, основанные на положении нагревателя и методе перемешивания.
Для углового нагревателя с общим барботажем примите 0,05–0,1 м/с. Для нагревателя основного потока с направленным барботажем примите 0,2–0,3 м/с. Для нагревателя со специальным эдуктором или рециркуляцией примите скорость 0,3–0,5 м/с.
Выберите плотность ватт из соответствующей строки таблицы выше. Если требуемая площадь поверхности при такой плотности ватт превышает доступное пространство резервуара, можно улучшить перемешивание, уменьшить общую мощность или использовать специальную конфигурацию нагревателя, обеспечивающую большую площадь поверхности.
Улучшение потока без серьезных модификаций
Небольшое сопло-эдуктор, расположенное на расстоянии 150–250 мм от нагревателя и направленное вдоль поверхности нагревателя, позволяет повысить локальную скорость от застойной до 0,3–0,5 м/с. Форсунка может приводиться в движение небольшим насосом или сжатым воздухом, а стоимость установки скромна по сравнению с ежегодной заменой вышедшего из строя нагревателя.
Перфорированная барботажная трубка, расположенная непосредственно под вертикально установленным нагревателем, создает завесу пузырьков, которая омывает поверхность нагревателя. Он менее эффективен, чем эжектор, но требует только подключения сжатого воздуха и отрезка перфорированной трубы.
Перемещение нагревателя на основной путь циркуляции,-если позволяет расположение резервуара-, является самым простым улучшением. Перемещение нагревателя из угла в место на расстоянии 100–150 мм от барботажной трубы может удвоить местную скорость без каких-либо затрат на оборудование.
Когда стандартные нагреватели не могут соответствовать реальному потоку
В резервуарах со сложными внутренними приспособлениями и ограниченным перемешиванием часто невозможно разместить стандартные погружные нагреватели из ПТФЭ с плотностью ватт, необходимой для фактического уровня расхода-нагревателя. Для работы мощностью 5 кВт при 0,8 Вт/см² требуется более 6000 см² поверхности нагревателя-больше, чем обеспечивает один нагреватель при типичных размерах резервуара.
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с-оптимизированным положением потока, специальным эдуктором и более низкой плотностью мощности устраняет основную причину отсутствия потока. Для процесса спецификации требуются размеры резервуара, метод перемешивания, положение нагревателя относительно источников потока, химический состав ванны и требуемая мощность. Для предприятий, использующих несколько резервуаров с различными условиями перемешивания, этот подход,-специфичный для конкретного применения, сопоставляет плотность ватт с фактической средой потока в нагревателе, а не с номинальным состоянием резервуара.
