Một bể chứa hóa chất có thể chứa cùng một thể tích chất lỏng nhưng hoạt động rất khác nhau giữa các lô sản xuất. Những thay đổi về nồng độ hóa học có thể làm thay đổi mật độ chất lỏng, độ nhớt, nhiệt dung và sự tuần hoàn. Những thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến cách thứcLò sưởi ngâm PTFEtruyền nhiệt vào bồn tắm.
Do đó, đối với các kỹ sư định cỡ thiết bị sưởi, mật độ chất lỏng phải được xem xét cùng với nồng độ và đặc tính nhiệt thay vì được coi là một thông số kỹ thuật riêng biệt.
Mật độ thay đổi khối lượng thực tế được làm nóng
Dung tích bình thường được biểu thị bằng lít hoặc mét khối, trong khi tính toán sưởi ấm phụ thuộc vào khối lượng.
Mối quan hệ cơ bản là:
m = ρV
Ở đâumlà khối lượng chất lỏng,ρlà mật độ vàVlà khối lượng chất lỏng
Ví dụ, một thùng 1.000 L chứa dung dịch có mật độ 1,20 kg/L chứa khoảng 1.200 kg chất lỏng.
Nếu cùng một bể chứa dung dịch có mật độ-thấp hơn 1,00 kg/L thì khối lượng chất lỏng chỉ khoảng 1.000 kg.
Sự khác biệt này ảnh hưởng đến lượng năng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ bồn tắm.
Để sưởi ấm hợp lý:
Q=mcΔT
Do đó, hai chất lỏng chiếm cùng một thể tích bể có thể yêu cầu năng lượng gia nhiệt khác nhau khi mật độ và nhiệt dung riêng của chúng khác nhau.
Mật độ riêng không quyết định sự truyền nhiệt
Một hiểu lầm kỹ thuật phổ biến là cho rằng mật độ cao hơn tự động có nghĩa là khả năng truyền nhiệt kém hơn hoặc tốt hơn.
Mật độ chỉ là một phần của bức tranh-tính chất chất lỏng.
Truyền nhiệt xung quanh lò sưởi ngâm PTFE cũng bị ảnh hưởng bởi độ nhớt, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, vận tốc chất lỏng, hình dạng lò sưởi và chênh lệch nhiệt độ.
Một mối quan hệ đơn giản hóa là:
Q=hAΔT
Đây,hđại diện cho hệ số truyền nhiệt-hiệu quả vàAđại diện cho khu vực sưởi ấm hoạt động.
Mật độ có thể ảnh hưởng đến trạng thái chất lỏng, nhưng nó không trực tiếp cung cấp giá trị củah. Chuyển động của chất lỏng và độ nhớt có thể quan trọng như nhau.
Giải pháp tập trung có thể thay đổi một số thuộc tính cùng nhau
Trong nhiều quá trình hóa học, mật độ tăng lên khi nồng độ hóa chất hòa tan tăng lên. Đồng thời, độ nhớt và nhiệt dung riêng có thể thay đổi.
Điều này tạo ra một hiệu ứng thiết kế kết hợp.
Dung dịch đậm đặc có thể chứa nhiều khối lượng trên một đơn vị thể tích hơn, làm tăng-tải nhiệt hợp lý. Nếu độ nhớt cũng tăng lên, sự tuần hoàn xung quanh lò sưởi có thể trở nên kém hiệu quả hơn.
Kết quả có thể là một quá trình trong đó cùng một công suất gia nhiệt danh nghĩa tạo ra phản ứng nhiệt độ khác nhau sau khi nồng độ hóa chất thay đổi.
Vì lý do này, việc tính toán gia nhiệt chỉ dựa trên thể tích bể có thể trở nên không chính xác đối với các dung dịch hóa chất đậm đặc.
Tại sao diện tích bề mặt nóng vẫn có vấn đề
Giả sử một quá trình cần 12 kW năng lượng sưởi ấm.
Một lò sưởi nhỏ gọn có diện tích hoạt động nhỏ và một lò sưởi dài hơn với diện tích hoạt động lớn hơn đều có thể cung cấp điện 12 kW. Tuy nhiên, thông lượng nhiệt bề mặt trung bình của chúng sẽ khác nhau.
Cách tính đơn giản là:
q = P/A
Ở đâuqlà thông lượng nhiệt trung bình.
Hãy xem xét hai cấu hình minh họa:
| Bố trí lò sưởi | Quyền lực | Khu vực sưởi ấm hoạt động | Thông lượng nhiệt trung bình |
|---|---|---|---|
| Cấu hình nhỏ gọn | 12 kW | 0.60 m² | 20 kW/m2 |
| Cấu hình phân tán | 12 kW | 1.20 m² | 10 kW/m2 |
Các giá trị này mang tính minh họa và không đại diện cho giới hạn vận hành phổ biến của PTFE.
Cách bố trí phân tán có thể cung cấp dòng nhiệt trung bình trên bề mặt thấp hơn, nhưng hiệu suất thực tế vẫn phụ thuộc vào sự tuần hoàn, hình học lắp đặt, hóa học của bể và kết cấu lò sưởi.
Chuyển động của chất lỏng có thể trở thành yếu tố hạn chế
Khi dung dịch hóa chất đậm đặc hoặc nhớt di chuyển chậm, nhiệt có thể tích tụ xung quanh bề mặt lò sưởi nhanh hơn tốc độ truyền vào bồn tắm xung quanh.
Điều này có thể tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ cục bộ giữa chất lỏng ngay xung quanh lò sưởi và dung dịch khối.
Cảm biến nhiệt độ bể vẫn có thể báo cáo nhiệt độ trung bình mong muốn trong khi bề mặt lò sưởi trải qua các điều kiện khác nhau đáng kể.
Do đó, khuấy trộn cơ học, tuần hoàn bơm, khoảng cách giữa các bộ gia nhiệt và vị trí lắp đặt phải được đánh giá cùng nhau.
Đối với các bể chứa hóa chất lớn, việc phân bổ các vùng gia nhiệt cũng có thể giúp tránh tập trung tải nhiệt vào một vùng.
Mật độ nên được đưa vào tính toán thời gian sưởi ấm{0}}
Hãy xem xét một dung dịch hóa học 1.500 L minh họa với mật độ 1,15 kg/L. Khối lượng chất lỏng gần đúng là:
m=1.15 × 1,500=1,725 kg
Giả sử nhiệt dung riêng là 3,2 kJ/(kg·K) và nhiệt độ cần tăng là 30 độ:
Q=1,725 × 3,2 × 30=165,600 kJ
Điều này tương đương với khoảng 46 kWh năng lượng sưởi ấm hợp lý.
Về mặt lý thuyết, một lò sưởi 20 kW sẽ cần khoảng 2,3 giờ trong điều kiện lý tưởng. Thời gian gia nhiệt thực tế sẽ lâu hơn do thành bể, đường ống, phôi, sự bay hơi và tổn thất nhiệt ra môi trường cũng tiêu tốn năng lượng.
Tính toán giải thích tại sao nên đưa mật độ và nhiệt dung riêng vào khi ước tính công suất sưởi.
Dữ liệu nào nên được cung cấp cho việc lựa chọn máy sưởi?
Đối với một quá trình hóa học sử dụngLò sưởi ngâm PTFE, thông tin chất lỏng hữu ích bao gồm:
Mật độ chất lỏng hoặc trọng lượng riêng
Nồng độ hóa học
Nhiệt dung riêng
Độ nhớt
Độ dẫn nhiệt khi có sẵn
Phạm vi nhiệt độ hoạt động
Tốc độ gia nhiệt yêu cầu
Phương pháp tuần hoàn hoặc khuấy trộn
Mức chất lỏng bình thường và tối thiểu
Kích thước bể
Do đó, mật độ được coi là một phần của cấu hình thuộc tính nhiệt-rộng hơn.
Khi mật độ thay đổi đáng kể theo nồng độ hóa học, kích thước bộ gia nhiệt phải được kiểm tra trên phạm vi hoạt động thực tế thay vì theo một điều kiện danh nghĩa duy nhất. Kết hợp các đặc tính chất lỏng với diện tích bề mặt gia nhiệt, phân bổ điện năng, tuần hoàn và hình dạng bể cung cấp cơ sở đáng tin cậy hơn cho việc lựa chọn lò sưởi ngâm PTFE và thiết kế công nghiệp tùy chỉnh.
