Một nhà máy hóa chất vận hành một bể xử lý 2.500{9}}lít cao 2.200 mm và đường kính 1.200 mm. Một lò sưởi ngâm PTFE được gắn thẳng đứng dọc theo thành bể. Máy sưởi bị hỏng chỉ sau bảy tháng sử dụng, vết phồng rộp tập trung ở phần trên của phần được sưởi ấm. Bể không có sự khuấy trộn cơ học - nó dựa vào sự đối lưu tự nhiên để phân phối nhiệt. Sự phân tầng nhiệt phát triển trong bể cao đã tạo ra một lớp nóng ở trên và một lớp mát ở dưới, đồng thời phần trên của lò sưởi hoạt động trong lớp nóng.
Sự phân tầng nhiệt xảy ra khi chất lỏng phát triển các lớp ổn định ở nhiệt độ khác nhau. Các lớp không trộn lẫn vì chất lỏng ấm hơn, ít đậm đặc hơn vẫn ở trên chất lỏng lạnh hơn, đậm đặc hơn. Trong một bể cao với sự tuần hoàn yếu, sự phân tầng có thể xảy ra nghiêm trọng.
Tại sao xe tăng cao lại phân tầng
Sự phân tầng được thúc đẩy bởi sức nổi. Khi lò sưởi ngâm PTFE làm ấm chất lỏng gần thành bể, chất lỏng được làm ấm sẽ dâng lên. Trong một bể chứa ngắn, chất lỏng dâng lên nhanh chóng chạm tới bề mặt và lan rộng, trộn lẫn với khối lượng lớn. Trong một bể cao, chất lỏng dâng lên tạo thành một lớp ổn định ở trên cùng. Lớp này sâu hơn khi tích tụ nhiều chất lỏng nóng hơn.
Chênh lệch nhiệt độ giữa lớp trên và lớp dưới có thể đạt tới 15–25 độ trong bể cao mà không cần khuấy trộn. Lớp trên ấm hơn và ít đậm đặc hơn. Lớp dưới mát hơn và đặc hơn. Giao diện giữa các lớp là ranh giới ổn định, chống lại sự trộn lẫn.
| Chiều cao bể | Tỷ lệ chiều cao-đến-đường kính | Trộn đối lưu tự nhiên | Trên cùng-đến-Dưới cùng ΔT | Rủi ro phân tầng |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Tốt | 3–6 độ | Thấp |
| 1.000–1.500 mm | 1:1 đến 1,5:1 | Vừa phải | 6–12 độ | Vừa phải |
| 1.500–2.000 mm | 1,5:1 đến 2:1 | Nghèo | 12–18 độ | Cao |
| >2.000mm | >2:1 | Rất nghèo | 18–25 độ | Rất cao |
Chiều cao bể và rủi ro phân tầng trong bể xử lý
Tại sao sự phân tầng lại rút ngắn tuổi thọ của lò sưởi PTFE
Máy sưởi hoạt động trong môi trường phân tầng. Phần dưới của lò sưởi nằm trong chất lỏng mát hơn, đậm đặc hơn. Phần trên nằm trong chất lỏng ấm hơn, ít đậm đặc hơn. Phần trên hoạt động ở nhiệt độ cao hơn phần dưới.
Nhiệt độ cao hơn sẽ đẩy nhanh mọi cơ chế phân hủy. Sự thẩm thấu, oxy hóa và lắng đọng cặn đều tăng theo nhiệt độ. Phần trên của lò sưởi xuống cấp nhanh hơn phần dưới. Các vết phồng rộp tập trung ở phía trên.
Sự phân tầng cũng làm giảm động lực truyền nhiệt. Chất lỏng ở trên cùng của bình đã ấm nên chênh lệch nhiệt độ giữa bộ sưởi và chất lỏng nhỏ hơn. Máy sưởi phải chạy nóng hơn để cung cấp cùng một lượng nhiệt, điều này làm tăng tốc độ xuống cấp hơn nữa.
Tại sao đối lưu tự nhiên không thể vượt qua sự phân tầng
Đối lưu tự nhiên được thúc đẩy bởi sự chênh lệch mật độ giữa chất lỏng được làm nóng và chất lỏng làm mát. Trong bể cao, chênh lệch mật độ không đủ lớn để vượt qua sự phân lớp ổn định. Chất lỏng nóng lên và ở lại trên cùng. Nó không trộn lẫn với chất lỏng làm mát bên dưới.
Sự phân tầng trở nên ổn định hơn khi chênh lệch nhiệt độ tăng lên. Sự chênh lệch 15 độ giữa lớp trên và lớp dưới tạo ra sự chênh lệch về mật độ cản trở sự trộn lẫn. Các lớp vẫn ổn định cho đến khi bị khuấy trộn cơ học hoặc có sự xáo trộn phá vỡ chúng.
Ngăn chặn sự phân tầng trong bể cao
Cách phòng ngừa hiệu quả nhất là khuấy trộn cơ học. Một máy bơm tuần hoàn, một thiết bị dẫn điện hoặc một ống phun nước có thể phá vỡ các lớp ổn định và trộn bể chứa. Việc khuấy trộn phải đủ để đảo thể tích bể trong thời gian hợp lý. Tốc độ luân chuyển 2–4 lần mỗi giờ là đủ cho hầu hết các bể xử lý.
Lò sưởi có mật độ watt thấp hơn sẽ làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa lò sưởi và chất lỏng. Nhiệt độ bề mặt thấp hơn làm giảm sự phân tầng-do sức nổi thúc đẩy và làm chậm quá trình xuống cấp của phần gia nhiệt phía trên.
Nhiều lò sưởi được phân bổ ở các độ cao khác nhau trong bể giúp cung cấp nhiệt đồng đều hơn và giảm độ dốc nhiệt độ. Bộ sưởi ở phía dưới làm nóng chất lỏng làm mát và bộ sưởi ở phía trên duy trì chất lỏng ấm hơn. Kết quả là một hồ sơ nhiệt độ đồng đều hơn.
| Biện pháp phòng ngừa | Ảnh hưởng đến sự phân tầng | Thực hiện | Trị giá |
|---|---|---|---|
| khuấy trộn cơ học | Phá vỡ các lớp | Máy bơm, thiết bị dẫn điện hoặc thiết bị phun nước | Vừa phải |
| Mật độ watt thấp hơn | Giảm sức nổi | Thiết kế lò sưởi | Vừa phải |
| Nhiều máy sưởi ở độ cao khác nhau | Sưởi ấm đồng đều | Bố trí lò sưởi | Cao hơn |
| Cách nhiệt bể | Giảm tổn thất nhiệt | cách nhiệt | Vừa phải |
Các biện pháp ngăn ngừa sự phân tầng nhiệt trong bể xử lý cao
Khi sự phân tầng chỉ ra một vấn đề về thiết kế
Một bể cao phân tầng mặc dù có khuấy trộn cơ học cho thấy rằng khuấy trộn không đạt được thể tích đầy đủ của bể hoặc cách bố trí bộ sưởi không phù hợp với hình dạng bể. Cấu hình bộ sưởi ngâm PTFE tùy chỉnh với nhiều bộ sưởi ở độ cao khác nhau, mật độ watt thấp hơn và bố cục-tối ưu hóa dòng chảy giải quyết nguyên nhân gốc rễ của sự phân tầng. Quá trình đặc tả yêu cầu kích thước bể, phương pháp khuấy trộn, yêu cầu về độ đồng đều nhiệt độ và công suất yêu cầu. Đối với các cơ sở có bể xử lý cao, phương pháp tiếp cận-dành riêng cho ứng dụng này giúp giảm sự phân tầng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị sưởi.
