На химическом заводе был утерян погружной ПТФЭ-нагреватель мощностью 6 кВт, когда крыльчатка рециркуляционного насоса разрушилась и расход упал примерно на 60%. Температура основной жидкости оставалась в пределах 3 градусов от заданного значения. Контролер не увидел проблем. Но температура поверхности нагревателя превысила точку, в которой жидкость на поверхности начала испаряться. Образовалась паровая подушка, теплообмен нарушился, а ПТФЭ в считанные часы вздулся и растрескался.
Паровая подушка является наиболее внезапным отказом погружного нагревателя из ПТФЭ. В отличие от проникновения или усталости, которые развиваются в течение нескольких месяцев, покрытие может вывести обогреватель из строя за одну смену. Триггером почти всегда является падение скорости потока на поверхности нагревателя-условие, которое определяет, сможет ли тепло покинуть нагреватель достаточно быстро, чтобы оставаться ниже точки кипения жидкости.
Почему возникает парообразование перед кипячением в массе
Объемное кипение происходит, когда вся жидкость достигает точки кипения. Покрытие паром происходит на поверхности нагревателя, в то время как объем жидкости остается значительно ниже температуры кипения. Механизм прост: температура поверхности нагревателя всегда выше температуры объемной жидкости. Если разница достаточно велика, жидкость, контактирующая с нагревателем, достигает точки кипения, хотя окружающая жидкость этого не делает.
Для воды при температуре 80 градусов температура кипения составляет 100 градусов при атмосферном давлении. Нагреватель, работающий при температуре на 25 градусов выше основной температуры, находится на 105 градусов - выше местной точки кипения. На поверхности нагревателя образуются пузырьки пара. Если поток достаточный, пузырьки отделяются и разрушаются в более холодной объемной жидкости. Если поток слабый, пузырьки объединяются в паровую подушку, изолирующую нагреватель.
Как только одеяло формируется, теплообмен прекращается. Температура поверхности нагревателя резко возрастает, часто в течение нескольких секунд, до уровня деградации ПТФЭ. Полимер размягчается, вздувается и трескается. Неудача необратима.
| Скорость потока в нагревателе | Нагреватель ΔT при 1,2 Вт/см² | Температура нагревателя при 80 градусах | Риск парового покрытия | Минимальная безопасная скорость |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6–10 градусов | 86–90 градусов | Никто | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10–15 градусов | 90–95 градусов | Низкий | Адекватный |
| 0.15–0.3 m/s | 15–22 градуса | 95–102 градуса | Умеренный | Маргинальный |
| 0.05–0.15 m/s | 22–35 градусов | 102–115 градусов | Высокий | Ниже минимума |
| <0.05 m/s | 35–50 градусов | 115–130 градусов | Очень высокий | Небезопасно |
Скорость потока и риск образования паровой пленки для погружных нагревателей из ПТФЭ в водных ваннах при температуре 80 градусов.
Минимальный порог скорости
Минимальная скорость потока, необходимая для предотвращения образования паровой подушки, зависит от жидкости, плотности ватт и объемной температуры. Для ванн на водной- основе с температурой 60–80 градусов и плотностью ватт 1,0–1,5 Вт/см² скорость поверхности нагревателя не менее 0,15 м/с обычно достаточна для отделения пузырьков пара до их слияния.
Ниже 0,15 м/с запас быстро сужается. При скорости 0,1 м/с зазор между нагревателем- и-объемом может превышать 25 градусов, в результате чего температура поверхности нагревателя выходит за пределы локальной точки кипения в ваннах, превышающей 70 градусов. При скорости 0,05 м/с-эффективно застойной-разрыв может превышать 40 градусов, а в ваннах с температурой выше 60 градусов начинается образование паровой пленки.
Для вязких жидкостей минимальная скорость выше. Жидкость, вязкость которой в три раза превышает вязкость воды, требует примерно в 1,5 раза большей скорости для достижения той же толщины пограничного слоя. Для сульфамата никеля при 55 градусах минимальная скорость безопасной работы при 1,2 Вт/см² составляет примерно 0,25 м/с.
| Тип жидкости | Вязкость при рабочей температуре | Минимальная скорость при 1,0 Вт/см² | Минимальная скорость при 1,5 Вт/см² |
|---|---|---|---|
| Вода | 0,5 мПа·с | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Разбавленная кислота | 0,7 мПа·с | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| Уоттс никель | 2,0 мПа·с | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| Сульфамат никеля | 3,5 мПа·с | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Химический никель | 4,5 мПа·с | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Минимальные скорости потока для предотвращения образования паровой подушки в установках погружных нагревателей из ПТФЭ.
Почему измерения уровня расхода в резервуаре-вводят в заблуждение
Скорость потока на поверхности нагревателя почти всегда ниже средней-средней скорости в резервуаре. Барботажные трубы и эжекторы расположены так, чтобы жидкость перемещалась вокруг заготовок, а не вокруг нагревателей. Нагреватель часто располагается в углу, за направляющей стойки или на стене напротив впускного отверстия, где локальная скорость составляет лишь часть средней объемной скорости.
Полевые измерения в гальванических резервуарах неизменно показывают, что скорость уровня нагревателя-на 30–70 % ниже средней по резервуару. В мертвых зонах снижение может составлять 80–90%. Резервуар с номинальной скоростью 0,3 м/с может иметь скорость всего 0,05–0,1 м/с у поверхности нагревателя.
Вот почему измерения уровня расхода в резервуаре-не могут использоваться для проверки безопасной работы обогревателя. Измерение необходимо проводить в месте расположения нагревателя, либо нагреватель должен быть расположен в известной зоне с высоким-потоком и достаточным запасом.
Практические меры по поддержанию безопасной скорости
Расположите нагреватель на пути основного потока. Самая высокая скорость и наиболее равномерный поток возникают в центре резервуара или непосредственно на линии циркуляционного входа. Избегайте углов, за перегородками и возле переливной перегородки.
Используйте специальный эдуктор или барботажную трубку, направленную на нагреватель. Небольшое сопло-эдуктор, расположенное на расстоянии 150–250 мм от нагревателя и направленное вдоль поверхности нагревателя, повышает локальную скорость до 0,3–0,5 м/с. Это наиболее надежный метод поддержания безопасной скорости нагревателя.
Установите реле потока или датчик перепада давления для обнаружения потери циркуляции. Реле расхода на нагнетательной линии насоса отключает питание нагревателя, если расход падает ниже безопасного порога. Переключатель должен быть независимым от основной системы управления и требовать ручного сброса.
Уменьшите плотность мощности в зонах с низким-потоком. Если нагреватель должен работать в месте, где поток не может поддерживаться выше 0,15 м/с, плотность мощности необходимо уменьшить, чтобы поддерживать температуру поверхности нагревателя ниже местной точки кипения. В застойных зонах безопасная плотность ватт составляет 0,6–0,8 Вт/см².
Когда стандартные нагреватели не могут поддерживать безопасную скорость
Резервуары со сложной внутренней арматурой и ограниченной циркуляцией зачастую не могут обеспечить скорость потока, необходимую для безопасной работы нагревателя. Нагреватель, который хорошо работает в основном объеме бака, может испытывать недостаток потока в углу или за арматурой.
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, схема циркуляции, положение нагревателя, химический состав ванны и требуемая мощность. Для объектов с несколькими резервуарами этот подход-, ориентированный на конкретную область применения, снижает риск образования паровой подушки и продлевает срок службы нагревателя.
