Wie berechnet man die erforderliche PFA-Heizungslänge für einen Tank mit einem minimalen Flüssigkeitsstand von 500 mm und einem maximalen Füllstand von 2.000 mm ohne Überhitzung der Dampfzone?

Bei einer zu langen PFA-Heizung ist bei niedrigen Flüssigkeitsständen in einem Tank mit wechselnden Flüssigkeitsständen (z. B. Chargenverarbeitung, Verdampfer oder Abschrecktanks) eine übermäßige Menge der Dampfzone ausgesetzt, was zu Überhitzung und frühzeitigem Ausfall führt. Der minimale Flüssigkeitsstand-und nicht der maximale-bestimmt die erforderliche Heizlänge. Bei einer sicheren Konstruktion bleibt der freiliegende Abschnitt (Dampfzone) des Heizgeräts bei oder unter 20–25 % seiner Gesamtlänge. Die maximale Länge des Heizgeräts beträgt 500 / (1 – 0,25)=667 mm bei einem minimalen Flüssigkeitsstand von 500 mm. Dies garantiert, dass der exponierte Teil mit einer niedrigeren Oberflächentemperatur läuft und dass mindestens 75 % des Heizgeräts auf dem niedrigsten Niveau untergetaucht bleiben. Installieren Sie mehrere Heizgeräte im Abstand oder verwenden Sie ein Heizgerät mit einer ungleichmäßigen Wattdichte (geringere Leistungsabgabe in der oberen Zone), wenn ein längeres Heizgerät für eine gleichmäßige Erwärmung bei maximaler Füllung erforderlich ist.

Mechanismus der Überhitzung der Dampfzone
Der Wärmedurchgangskoeffizient (h) in der Flüssigkeitszone liegt üblicherweise zwischen 500 und 5.000 W/m²·K. H sinkt in der Dampfzone (Luft, Dampf oder Säuredampf) auf 10–100 W/m²·K. Die Oberflächentemperatur in der Dampfzone eines Heizgeräts mit einer gleichmäßigen Wattdichte q (W/cm²) beträgt T_Dampf=T_Umgebung + q / h_Dampf. T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 Grad ist für q=3 W/cm² (30.000 W/m²) und h_vapor=30 W/m²·K unmöglich. Die Temperatur des PFA-Mantels kann immer noch 250–350 Grad übersteigen, was zum Schmelzen oder schweren Schäden führen kann, obwohl sich die Heizung tatsächlich selbst reguliert, wenn der Widerstand mit der Temperatur steigt. Da der sichere Wärmefluss in der Dampfzone kleiner oder gleich 1,0 W/cm² ist, muss q_vapor kleiner oder gleich 10.000 W/m² sein. q_vapor=q_liquid für eine gleichmäßige Heizung. Um sicherzustellen, dass die effektive Wärmeableitungsfläche in der Dampfzone groß genug ist, um den tatsächlichen Wärmefluss zu senken, besteht die einzige Möglichkeit, die Dampfzone sicher zu halten, darin, den Anteil der freiliegenden Heizelemente zu begrenzen. Allerdings erzeugt der freiliegende Teil immer noch die gleiche Strommenge pro Längeneinheit, sofern die Heizung eine gleichmäßige Wattdichte aufweist. Der Temperaturanstieg ist abhängig vom festen h_dampf. Vielmehr kann ein längerer Heizkörper mit gleicher Gesamtleistung verwendet werden, um die Wattdichte (q) im gesamten Heizkörper zu reduzieren. q=P / (π × D × L) für eine festgelegte Gesamtleistung P und Länge L. Q nimmt proportional ab, wenn L zunimmt.

Methode zur Bestimmung der minimalen Heizkörperlänge Es sei:

L_min ist der niedrigste Flüssigkeitsstand in Millimetern.

L_heater ist die Gesamtlänge des Heizgeräts (mm).

f_exposed=L_exposed / L_heater=Prozent exponiert=(L_heater – L_min) / L_heater

q_design ist die Wattdichte (W/cm²), bestimmt durch Fläche und Gesamtleistung.

Der Wärmefluss der Dampfzone muss kleiner oder gleich q_max_vapor=1.0 W/cm² sein, damit die Dampfzone sicher funktioniert. Andererseits erfährt die Dampfzone den gleichen q, wenn die Heizung einen gleichmäßigen q hat. Daher muss das Heizgerät mit einem winzigen freiliegenden Teil oder einem niedrigen Gesamt-Q gebaut werden, damit auch der freiliegende Teil sicher ist. Die sinnvollste Strategie besteht darin, f_exposed auf weniger als oder gleich 0,25 zu reduzieren und mit einem niedrigen Gesamt-q (weniger als oder gleich 1,5 W/cm²) zu entwerfen.

Als allgemeine Regel gilt: L_heater < L_min / (1 – f_max), wobei f_max der maximal zulässige freiliegende Anteil ist (normalerweise zwischen 0,20 und 0,25). L_heater Kleiner oder gleich 500 / 0.75=667 mm für L_min=500 mm.

Erforderliche Länge der Heizung für unterschiedliche Niveausituationen
Minimaler Flüssigkeitsstand (mm)Maximaler Flüssigkeitsstand (mm)Empfohlene Länge des Heizgeräts (mm) Freiliegender Mindestanteil (%)Gesamt-q (W/cm²) bei 6 kW, 25 mm AD Dampfzonensicherheit 500 2,000 650 23 % 4,7 (zu hoch)Unsicher, sofern q nicht reduziert ist 500 2,000 1,200 58 % 2,5 Unsicher (zu hoch ausgesetzt) 500 2,000 650 (nur mit 3 kW) 23 % 2,35 Akzeptabel (q niedrig) 800 2,000 1,000 20 % 3,0 Grenzwert (q am Grenzwert) 800 2,000 1,200 (mit reduzierter Leistung) 33 % 2,0 (reduziert) Akzeptabel 1,000 3,000 1,250 20% 2,4 Gut
Mehrere versetzte Heizelemente sind die Antwort, wenn die erforderliche Heizlänge für eine vollständige Abdeckung bei maximalem Füllstand deutlich länger ist als die sichere Länge bei minimalem Füllstand. Platzieren Sie beispielsweise einen mittleren Heizstrahler (1.200 mm) höher, einen langen Heizstrahler (2.000 mm) oben und einen kurzen Heizstrahler (650 mm) unten. Bei niedrigem Füllstand arbeitet nur die untere Heizung; Wenn es voll ist, funktionieren alle.

Beispiel aus der Praxis
The minimum liquid level in a waste evaporator was 600 mm, while the highest was 2,500 mm. There was only one 2,000 mm PFA heater installed. 1,400 mm (70%) was exposed to vapor at the lowest level. Within three months, the heater broke down. 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 mm. Kein Heizgerät war jemals mehr als 20 % ausgesetzt. Alle drei Heizungen hielten 5+ Jahre.

Ungleichmäßige Wattdichte als Alternative
Wenn mehrere Heizgeräte nicht praktikabel sind, geben Sie ein einzelnes Heizgerät mit ungleichmäßiger Wattdichte an: Die oberen 30 % der Heizelementlänge liefern nur 20 % der Leistung pro Längeneinheit, während die unteren 70 % 80 % erzeugen. Dies kann durch Ändern der Steigung des Widerstandsdrahtes erreicht werden (siehe Artikel Nr. 25). Der freiliegende obere Bereich weist auf minimalem Niveau einen verringerten Wärmefluss auf, was die Oberflächentemperatur senkt. Obwohl dieses Design die Produktionskosten um 20–30 % erhöht, ermöglicht es, dass ein einziger Heizer verschiedene Einstellungen bewältigen kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Länge des Basisheizgeräts bei einem Mindestflüssigkeitsstand von 20–25 % für die Freilegung zulässig ist
Um eine Überhitzung der Dampfzone zu vermeiden, muss die Länge einer PFA-Heizung für einen Tank mit wechselndem Flüssigkeitsstand anhand des minimalen Flüssigkeitsstands und nicht des maximalen bestimmt werden. Ein sicheres Design hält den exponierten Prozentsatz bei oder unter 20–25 % auf dem minimalen Niveau. Die maximale Heizkörperlänge beträgt 650–670 mm bei einer Mindesthöhe von 500 mm. Verwenden Sie eine Heizung mit ungleichmäßiger Wattdichte oder mehrere versetzte Heizungen, wenn für die Prozessgleichmäßigkeit eine längere Heizung erforderlich ist. Innerhalb weniger Monate wird ein einzelner langer Heizkörper mit einem hohen exponierten Anteil ausfallen. Die Belastungstoleranz des Heizgeräts ändert sich nicht mit der Höhe. Fügen Sie Redundanz hinzu oder dimensionieren Sie es für den schlimmsten Fall-. Die niedrigste Stufe und nicht die höchste bestimmt, wie lange Ihre Heizung hält.