Las soluciones químicas de alta-viscosidad crean un problema de calentamiento diferente al de los baños de baja-viscosidad. El calentador puede alcanzar la potencia eléctrica requerida, pero el tanque aún puede mostrar una lenta recuperación de temperatura o fuertes diferencias de temperatura entre el área del calentador y el resto del líquido.
por unCalentador de inmersión de PTFE, la viscosidad afecta la eficiencia con la que el calor se aleja de la superficie calefactora. Por lo tanto, es necesario considerar conjuntamente la potencia del calentador, la superficie activa, la circulación, la posición de instalación y la geometría del tanque.
Por qué la viscosidad cambia el rendimiento de calefacción
Cuando un líquido se vuelve más viscoso, aumenta su resistencia al flujo. La convección natural puede debilitarse, mientras que la circulación de bombas o agitadores también puede volverse menos efectiva.
La transferencia de calor desde un calentador de inmersión se puede simplificar como:
Q=hAΔT
dóndeQse transfiere calor,hes el coeficiente de transferencia de calor-efectivo,Aes el área de calefacción activa, yΔTes la diferencia de temperatura entre la superficie de calentamiento y el líquido circundante.
Cuando el movimiento del líquido alrededor del calentador está restringido,hpuede disminuir. Entonces puede ser necesaria una mayor diferencia de temperatura para transferir la misma cantidad de calor.
La alta viscosidad puede crear una capa caliente alrededor del calentador
Una solución de alta-viscosidad puede alejarse lentamente de la superficie del calentador.
Por lo tanto, el líquido que rodea inmediatamente el calentador puede calentarse considerablemente más que la solución a granel.
Esto crea dos problemas.
El primero es la falta de uniformidad-de temperatura. El segundo es una mayor carga térmica en la superficie del calentador.
Un sensor de tanque colocado lejos del calentador puede continuar mostrando una temperatura por debajo del objetivo aunque el líquido que rodea inmediatamente la superficie de calentamiento ya esté mucho más caliente.
Simplemente aumentar la potencia del calentador puede agravar esta condición.
La superficie de calefacción se vuelve más importante
El flujo de calor promedio de la superficie de calefacción se puede estimar con:
q = P/A
dóndePes energía eléctrica yAes una zona de calefacción activa.
Considere un requisito de calefacción ilustrativo de 10 kW:
| Configuración | Fuerza | Zona de calefacción activa | Flujo de calor promedio |
|---|---|---|---|
| Calentador compacto | 10 kilovatios | 0.50 m² | 20kW/m² |
| Calentador de área-mediano | 10 kilovatios | 0.80 m² | 12,5kW/m² |
| Calentador distribuido | 10 kilovatios | 1.20 m² | 8,3 kilovatios/m² |
Estas cifras son cálculos ilustrativos, no valores operativos universales permitidos de PTFE.
El aumento del área activa puede distribuir la misma energía eléctrica en una superficie más grande. Que esto mejore el rendimiento real del proceso depende de la circulación, las propiedades químicas, la geometría del calentador y las dimensiones del tanque.
Los cambios de temperatura pueden afectar la viscosidad
Muchos líquidos químicos se vuelven menos viscosos a medida que aumenta la temperatura.
Esto crea una dinámica importante durante el inicio.
Al comienzo del calentamiento, la solución puede ser relativamente viscosa y la circulación puede ser deficiente. A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad puede disminuir y el movimiento del fluido puede mejorar.
Por lo tanto, el sistema de calefacción puede comportarse de manera diferente durante el arranque y el funcionamiento en estado estable-.
Un calentador dimensionado únicamente para la condición de estado-estable puede proporcionar un rendimiento de arranque insuficiente si la viscosidad inicial es sustancialmente mayor.
La circulación mecánica debe coincidir con el fluido
Para soluciones de alta-viscosidad, puede ser necesaria la circulación mecánica para mover el calor a través del tanque.
Sin embargo, la capacidad nominal de la bomba por sí sola no garantiza una transferencia de calor efectiva.
La ruta del flujo debe llegar a la zona de calentamiento y transportar el líquido calentado hacia las partes más frías del tanque.
Un sistema de circulación que pasa por alto el calentador puede tener un caudal general alto y al mismo tiempo producir una transferencia de calor local débil.
Por lo tanto, la posición del agitador, la entrada de la bomba, la ubicación de descarga, la tubería interna y la ubicación del calentador deben evaluarse como un sistema completo.
La posición del calentador puede reducir las zonas estancadas
Un calentador instalado en una esquina o cerca de la pared de un tanque puede experimentar un intercambio de líquido débil.
Para soluciones viscosas, este problema puede ser más pronunciado.
Idealmente, la superficie de calentamiento activa debe ubicarse donde la circulación llegue al calentador desde múltiples direcciones o donde el flujo del proceso se dirija intencionalmente a través de la zona de calentamiento.
La separación desde el fondo y las paredes del tanque también debe tener en cuenta los sedimentos, los depósitos y el acceso para mantenimiento.
El tiempo de calentamiento se puede estimar a partir de las propiedades del fluido
Supongamos que un tanque ilustrativo contiene 600 kg de una solución química de alta-viscosidad con una capacidad calorífica específica de 2,8 kJ/(kg·K). El aumento de temperatura requerido es de 40 grados.
La energía de calefacción sensible es:
Q=mcΔT
Q= 600 × 2,8 × 40=67,200 kJ
Esto equivale aproximadamente a 18,7 kWh.
Con un calentador de 12 kW, el tiempo de calentamiento-sensible ideal sería aproximadamente:
18,7 ÷ 12=1.56 horas
El tiempo de calentamiento real será mayor debido a la pérdida de calor del tanque, las tuberías, la evaporación, la carga de la pieza de trabajo y otros efectos térmicos.
El ejemplo también muestra por qué la selección del calentador debe utilizar la capacidad calorífica específica real de la solución química en lugar de asumir las propiedades del agua.
La energía debe coincidir con la condición de transferencia de calor-real
Para baños de alta-viscosidad, seleccionar un calentador con potencia excesiva puede crear un ambiente térmico difícil.
Un mejor enfoque es equilibrar:
Tasa de calentamiento requerida
Zona de calefacción activa
Flujo de calor promedio
Capacidad de circulación
Viscosidad del baño
Temperatura de funcionamiento
Geometría del tanque
Requisito de uniformidad de temperatura
El objetivo no es simplemente la máxima potencia calorífica. El objetivo útil es una transferencia de calor suficiente sin una concentración térmica local excesiva.
¿Qué información debe incluirse en las adquisiciones?
Una aplicación química de alta-viscosidad debe proporcionar:
Composición química
Viscosidad a la temperatura de inicio.
Viscosidad a temperatura de funcionamiento
Capacidad calorífica específica
Densidad
Temperatura objetivo
Tiempo de calentamiento requerido
Dimensiones del tanque
Método de circulación
Nivel mínimo de líquido
Potencia requerida del calentador
Suministro eléctrico disponible
Esta información permite unaCalentador de inmersión de PTFEdebe diseñarse en torno al comportamiento real del fluido en lugar de una suposición simplificada basada en el agua.
Para soluciones especialmente viscosas, circulación restringida, tanques profundos o grandes cargas de calefacción, la superficie de calefacción personalizada y la geometría del calentador pueden proporcionar una mejor distribución térmica. La configuración final debe equilibrar el flujo de calor, la circulación, la profundidad de inmersión y la temperatura del proceso para lograr un calentamiento estable en todo el tanque de productos químicos.
