Una planta química reemplazó un calentador de inmersión de PTFE en un baño de revestimiento después de nueve meses de servicio. El mismo modelo de calentador había durado cuatro años en un tanque similar en una instalación diferente. La diferencia fue la concentración de sólidos disueltos. La instalación fallida ejecutó un baño con 350 g/L de sales disueltas, mientras que la instalación exitosa funcionó a 120 g/L. La mayor concentración de sólidos aumentó la viscosidad y redujo la conductividad térmica del fluido, reduciendo la densidad de vatios segura.
Los sólidos disueltos afectan la transferencia de calor de dos maneras. Aumentan la viscosidad del fluido, lo que espesa la capa límite térmica en la superficie del calentador. También reducen la conductividad térmica del fluido, lo que reduce la velocidad a la que el calor se mueve a través del fluido. El efecto combinado es un coeficiente de transferencia de calor por convección más bajo y una temperatura de la superficie del calentador más alta para cualquier densidad de vatios determinada.
Cómo los sólidos disueltos cambian las propiedades de los fluidos
A medida que aumenta la concentración de sólidos disueltos, el fluido se vuelve más viscoso y menos conductor térmico. El aumento de la viscosidad es aproximadamente lineal con la concentración para la mayoría de las sales. La disminución de la conductividad térmica es menor pero aún mensurable.
Un baño de galvanoplastia con 300 g/L de sales disueltas puede tener una viscosidad dos o tres veces mayor que la del agua a la misma temperatura. La conductividad térmica puede ser entre un 10% y un 15% menor. El coeficiente de transferencia de calor por convección, que depende de ambas propiedades, puede ser entre un 25 y un 40% menor que el del agua.
| Sólidos disueltos | Viscosidad relativa | Conductividad térmica relativa | Coeficiente de convección versus agua | Densidad de vatios segura |
|---|---|---|---|---|
| <50 g/L | 1.0–1.1× | 0.98–1.0× | 0.9–1.0× | 1,4–1,6 W/cm² |
| 50–150 g/L | 1.1–1.4× | 0.95–0.98× | 0.75–0.90× | 1,2–1,4 W/cm² |
| 150–250 g/L | 1.4–1.8× | 0.92–0.95× | 0.60–0.75× | 1,0–1,2 W/cm² |
| 250–350 g/L | 1.8–2.5× | 0.88–0.92× | 0.45–0.60× | 0,8–1,0 W/cm² |
| >350 g/L | >2.5× | <0.88× | <0.45× | 0,6–0,8 W/cm² |
Concentración de sólidos disueltos y su efecto sobre las propiedades del fluido y la densidad de vatios segura.
Por qué falla el mismo modelo de calentador con alto contenido de sólidos
Un calentador que funciona a 1,2 W/cm² en un baño bajo-sólidos puede tener una temperatura superficial de 15 a 18 grados por encima del fluido a granel. El mismo calentador en un baño con alto contenido de sólidos-puede tener una temperatura superficial de 25 a 35 grados por encima de la masa. La temperatura superficial más alta acelera la permeación, la oxidación y la deposición de incrustaciones.
La mayor temperatura de la superficie también aumenta la fuerza impulsora para la deposición. Las sales disueltas que están cerca de la saturación a la temperatura total pueden exceder la saturación en la superficie del calentador. Se precipitan sobre la superficie, formando una capa de incrustaciones que añade resistencia térmica y eleva aún más la temperatura de la superficie.
Límites prácticos de densidad de vatios para baños con alto contenido de sólidos-sólidos
Para baños con sólidos disueltos superiores a 250 g/L, la densidad de vatios segura es de 0,8 a 1,0 W/cm² en condiciones de agitación moderada. Para baños superiores a 350 g/L, el límite se reduce a 0,6-0,8 W/cm². Estos valores suponen un límite de temperatura de la superficie del calentador de 100 a 110 grados.
| Sólidos disueltos | Temperatura | Densidad de vatios segura | Superficie para 5 kW | Vida útil esperada |
|---|---|---|---|---|
| <100 g/L | 60 grados | 1,4 W/cm² | 3.571 cm² | 4 a 6 años |
| 100–200 g/L | 60 grados | 1,2 W/cm² | 4.167 cm² | 3–4 años |
| 200–300 g/L | 60 grados | 1,0 W/cm² | 5.000 cm² | 2-3 años |
| 300–400 g/L | 60 grados | 0,8 W/cm² | 6.250 cm² | 18 a 30 meses |
| >400 g/L | 60 grados | 0,6 W/cm² | 8.333 cm² | 12 a 24 meses |
Requisitos seguros de densidad de vatios y área de superficie por concentración de sólidos disueltos
Medición de sólidos disueltos
La concentración de sólidos disueltos se puede medir evaporando una muestra del baño y pesando el residuo. La medición debe realizarse a la temperatura de funcionamiento o corregirse a la temperatura de funcionamiento.
Un medidor de conductividad proporciona una estimación rápida de los sólidos disueltos. La conductividad se correlaciona con la concentración de la mayoría de los baños de revestimiento. La relación debe calibrarse para la química específica del baño.
Cuando los calentadores estándar no pueden cumplir con el requisito de densidad de vatios
Los baños de revestimiento con alto contenido de sólidos-, con requisitos de potencia elevados y espacio periférico limitado, a menudo no pueden acomodar calentadores de inmersión de PTFE estándar con las bajas densidades de vatios que exige la química. Una configuración personalizada de calentador de inmersión de PTFE con una gran superficie, una baja densidad de vatios y una posición de flujo-optimizada aborda la causa principal del desajuste de la densidad de vatios. El proceso de especificación requiere la concentración de sólidos disueltos, la temperatura de funcionamiento, las dimensiones del tanque, las condiciones de flujo y la potencia requerida. Para instalaciones con baños con alto contenido de sólidos-, este enfoque específico de aplicación-reduce la degradación del recubrimiento y extiende la vida útil del calentador.
