На хімічному заводі використовувався технологічний резервуар об’ємом 2500-літр, висота якого становила 2200 мм, а діаметр – 1200 мм. ПТФЕ занурювальний нагрівач був встановлений вертикально вздовж стінки бака. Обігрівач вийшов з ладу лише після семи місяців експлуатації, з утворенням пухирів у верхній третині нагрітої секції. Резервуар не мав механічного перемішування — він покладався на природну конвекцію для розподілу тепла. Термічна стратифікація, яка виникла у високому резервуарі, створила гарячий шар угорі та прохолодний шар у дні, а верхня частина нагрівача працювала в гарячому шарі.
Термічна стратифікація відбувається, коли рідина утворює стабільні шари з різною температурою. Шари не змішуються, тому що більш тепла, менш щільна рідина залишається поверх більш холодної, щільнішої рідини. У високому резервуарі зі слабкою циркуляцією розшарування може бути серйозним.
Чому високі танки розшаровуються
Стратифікація зумовлена плавучістю. Коли занурювальний нагрівач PTFE нагріває рідину біля стінки бака, нагріта рідина піднімається. У короткому резервуарі рідина, що піднімається, швидко досягає поверхні і поширюється, змішуючись з основною масою. У високому резервуарі рідина, що піднімається, утворює стабільний шар у верхній частині. Шар поглиблюється в міру накопичення більшої кількості нагрітої рідини.
Різниця температур між верхнім і нижнім шарами може досягати 15-25 градусів у високій ємності без перемішування. Верхній шар більш теплий і менш щільний. Нижній шар більш прохолодний і щільний. Інтерфейс між шарами є стабільною межею, яка протистоїть змішуванню.
| Висота резервуара | Співвідношення висоти-до-діаметра | Природне конвекційне змішування | Зверху-до-Низу ΔT | Ризик розшарування |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | добре | 3-6 ступінь | Низький |
| 1000–1500 мм | 1:1 до 1,5:1 | Помірний | 6-12 град | Помірний |
| 1500–2000 мм | 1,5:1 до 2:1 | Бідний | 12-18 градусів | Високий |
| >2000 мм | >2:1 | Дуже бідний | 18-25 градусів | Дуже високий |
Висота резервуара та ризик розшарування в технологічних резервуарах
Чому стратифікація скорочує термін служби нагрівача PTFE
Обігрівач працює в шаровому середовищі. Нижня частина нагрівача знаходиться в більш холодній, більш щільній рідині. Верхня частина знаходиться в більш теплій, менш щільній рідині. Верхня секція працює при вищій температурі, ніж нижня.
Більш висока температура прискорює всі механізми деградації. Проникнення, окислення та відкладення накипу зростають із підвищенням температури. Верхня частина обігрівача руйнується швидше, ніж нижня частина. Пухирі концентруються у верхній частині.
Стратифікація також зменшує рушійну силу теплопередачі. Рідина у верхній частині бака вже тепла, тому різниця температур між нагрівачем і рідиною менша. Нагрівач повинен нагріватися, щоб забезпечити те саме тепло, що ще більше прискорює деградацію.
Чому природна конвекція не може подолати стратифікацію
Природна конвекція обумовлена різницею щільності між нагрітою та більш холодною рідиною. У високому резервуарі різниця щільності недостатньо велика, щоб подолати стабільне нашарування. Нагріта рідина піднімається і залишається вгорі. Він не змішується з охолоджувальною рідиною нижче.
Розшарування стає більш стабільним із збільшенням різниці температур. Різниця в 15 градусів між верхнім і нижнім шарами створює різницю в щільності, яка не змішується. Шари залишаються стабільними до тих пір, поки їх не розірве механічне перемішування або вплив.
Запобігання розшарування у високих резервуарах
Найефективнішою профілактикою є механічне ворушіння. Циркуляційний насос, едуктор або газорозподільна труба можуть розбити стабільні шари та змішати резервуар. Перемішування повинно бути достатнім, щоб перевернути об'єм бака за розумний час. Швидкість обертання 2–4 рази на годину є достатньою для більшості технологічних резервуарів.
Нагрівач із меншою щільністю ват зменшує різницю температур між нагрівачем і рідиною. Нижча температура поверхні зменшує стратифікацію,-зумовлену плавучістю, і уповільнює деградацію верхньої секції нагрівача.
Кілька нагрівачів, розподілених на різній висоті в резервуарі, забезпечують більш рівномірний нагрів і зменшують температурний градієнт. Нагрівачі внизу нагрівають холоднішу рідину, а нагрівачі вгорі підтримують теплішу рідину. Результатом є більш рівномірний температурний профіль.
| Захід профілактики | Вплив на стратифікацію | Реалізація | Вартість |
|---|---|---|---|
| Механічне перемішування | Розбиває шари | Насос, едуктор або розпилювач | Помірний |
| Нижча щільність ват | Зменшує плавучість | Конструкція обігрівача | Помірний |
| Кілька обігрівачів на різній висоті | Рівномірний нагрів | Схема обігрівача | Вища |
| Ізоляція бака | Зменшує втрати тепла | Ізоляція | Помірний |
Заходи профілактики термічного розшарування у високих технологічних резервуарах
Коли стратифікація вказує на проблему дизайну
Високий бак, який розшаровується, незважаючи на механічне перемішування, вказує на те, що перемішування не досягає повного об’єму бака або що схема нагрівача не відповідає геометрії бака. Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з ПТФЕ з кількома нагрівачами на різній висоті, меншою щільністю ват і-оптимізованою структурою потоку усуває першопричину розшарування. Процес специфікації вимагає розмірів резервуара, методу перемішування, вимоги до однорідності температури та необхідної потужності. Для установок із високими технологічними резервуарами цей-спеціальний підхід зменшує розшарування та подовжує термін служби нагрівача.
