Como selecionar o diâmetro correto do aquecedor PFA para o espaçamento do defletor de um determinado tanque para manter a velocidade mínima de desvio do fluxo?

Tanques defletores são utilizados para mistura, reações químicas e transmissão de calor e o espaço entre o defletor e a parede do tanque fornece um canal de desvio de fluxo. Para garantir a transferência de calor e evitar o superaquecimento localizado, a velocidade do fluxo deve ser alta o suficiente após o aquecedor se um aquecedor PFA estiver instalado neste canal. Para serviços de água, os aquecedores de PFA devem ter uma velocidade de desvio de fluxo mínima de 0,3-0,5 m/s para manter a temperatura da superfície do PFA dentro de 10 graus do fluido a granel em densidades normais de watts (3-5 W/cm2). Para um determinado espaçamento do defletor (distância entre a borda do defletor e a parede do tanque), o diâmetro do aquecedor deve ser escolhido de modo que a área da seção transversal do canal de desvio ao redor do aquecedor seja grande o suficiente para sustentar a velocidade. Regra: o diâmetro externo do aquecedor deve ser menor ou igual a 50% da largura da folga do defletor. O diâmetro externo máximo do aquecedor é de 50 mm para um espaço de 100 mm entre os defletores. O diâmetro externo máximo do aquecedor para um espaçamento de 50 mm é de 25 mm. O fluxo é restringido por aquecedores maiores, o que diminui a velocidade e causa superaquecimento.

Cálculo da velocidade de desvio de fluxo
A velocidade na folga do defletor é v=Q / A com Q a vazão volumétrica do agitador ou bomba de recirculação e A a área da seção transversal-da folga não ocupada pelo trocador de calor. W=largura total da lacuna, D=diâmetro externo do aquecedor, H=altura do tanque (assumido totalmente imerso). A área livre é A _free=(W - D) × H . Quando D se aproxima de W, A _free se aproxima de 0 e a velocidade diminui drasticamente. Para v Maior ou igual a 0,3 m/s, A_free deve ser Maior ou igual a Q / 0,3. Para um tanque típico com agitador fornecendo Q=0.05 m3/s (3 m3/min), H=2 m, o A livre necessário=0.05 / 0.3=0.167 m2. Então (W - D) x 2=0.167. Portanto W - D=0.0835 m=83.5 mm. Se W=150 mm, o aquecedor máximo de D=150 - 83.5=66.5 mm. 65 mm estaria ok. Se W=100 mm, máximo D=100-83.5=16.5 mm-um aquecedor muito modesto. Nesta circunstância é impossível colocar o aquecedor na abertura do defletor, ele deve ser movido.

No caso de tanques de convecção natural (sem bomba, sem agitador) a velocidade do fluxo é gerada pela flutuabilidade. O aumento máximo de velocidade ao longo de um aquecedor é cerca de v=√(2 × g × × ΔT × L), onde g=9.81 m/s2, é o coeficiente de expansão térmica (0,0004/ grau para água), ΔT é a diferença de temperatura entre a superfície do aquecedor e o volume (10 graus) e L é o comprimento do aquecedor (1 m). v=√(2 × 9,81 × 0,0004 × 10 × 1)=√(0,0785)=0.28 m/s-no mínimo. Se você diminuir essa velocidade de alguma forma, corre o risco de superaquecimento. Para convecção natural, o diâmetro do aquecedor deve ser menor ou igual a 30% da largura da folga do defletor para evitar asfixia.

Diâmetro do aquecedor versus. Gráfico de seleção de folga do defletor
Baffle Gap Width (mm) Flow Type Minimum Required v (m/s) Max Heater OD (mm) for v >= minRecomendado diâmetro externo do aquecedor (mm) Observações
50 Forçado (bomba, agitador) 0.3 25 20–25 Estanque, mas viável 50 Convecção natural 0.25 15 12–16 Aquecedor muito pequeno
75 Forçado 0.3 40 32–38 Bom 75 Natural 0.25 22 20-25 Aceitável 100 Forçado 0.3 58 50 Padrão 100 Natural 0.25 30 25 OK 125 Forçado 0.3 83 75 grande aquecedor possível 150 Forçado 0.3 108 100 Típico para tanques grandes
200 Forçado 0.3 158 150 Pode acomodar vários aquecedores
Efeitos de um aquecedor superdimensionado no espaço do defletor
Se o diâmetro do aquecedor for muito grande para a folga do defletor (D > 0,6 × W para fluxo forçado, D > 0,3 × W para convecção natural), isso criará três problemas:

Estagnação do fluxo: a velocidade cai abaixo de 0,2 m/s. O coeficiente de transferência de calor h diminui de 500 – 1 000 W/m 2 K para 100 – 300 W/m 2 K. Com densidade de watt constante, a temperatura da superfície do PFA aumenta em 20-50 graus.

Superaquecimento localizado: O ponto mais quente está a jusante do aquecedor (na esteira). A diferença de temperatura a montante e a jusante pode atingir até 20–30 graus, o que leva a um estresse térmico não-uniforme.

2.2 Incrustação acelerada A baixa velocidade permite que partículas e bolhas grudem no aquecedor, resultando em incrustações e formação de biofilme. Ainda mais transferência de calor é perdida na escala, produzindo um ciclo de feedback positivo.

A inspeção de campo de um enorme aquecedor em uma abertura do defletor mostra um padrão definido; PFA amarelado ou marrom no lado a jusante, com depósitos de escamas brancas. O lado upstream pode parecer normal. Se você observar esse padrão, seu aquecedor é muito grande para a lacuna.

Opções de instalação quando a lacuna é muito pequena
Se o diâmetro necessário do aquecedor for maior que o máximo permitido na folga do defletor, são sugeridas as seguintes soluções:

Realoque o aquecedor: Coloque o aquecedor no centro do tanque (longe dos defletores) ou em um circuito de recirculação. A velocidade do fluxo na montagem central é frequentemente maior do que nas lacunas do defletor.

Use muitos aquecedores menores Use dois aquecedores de 25 mm, em vez de um aquecedor de 50 mm. Cada aquecedor menor tem limitação de fluxo reduzida, mas a área de superfície geral (e potência) pode ser a mesma.

aumente a folga do defletor Se o projeto do tanque permitir, aumente W deslocando os defletores ou reduzindo as bordas do defletor. Ao aumentar a distância em 25 mm, um aquecedor de 50 mm pode ser adicionado onde antes cabiam apenas 32 mm.

Adicione um acelerador de fluxo: Um edutor ou bocal de jato na abertura do defletor aumenta a velocidade local. Um bocal utiliza alguma energia da bomba, mas recupera a transmissão de calor.

Exemplo de campo:
Tanque de mistura de 5.000 L com folga do defletor de 80 mm. A fábrica construiu um aquecedor PFA de 63 mm (gap de 79%). Velocidade de fluxo medida=0.12 m/s. O aquecedor foi ampliado-em três meses. A temperatura da superfície do PFA era de 115 graus em água a 70 graus (aumento de 45 graus). A fábrica substituiu dois aquecedores de 25 mm (potência total igual) em cada lado do defletor. A velocidade em torno de cada aquecedor foi de 0,35 m/s. A incrustação diminuiu e a temperatura da superfície foi reduzida para 85 graus e a vida útil do aquecedor aumentou de 6 meses para 5 anos. Dois aquecedores custam mais (2x500=500=1.000) do que um aquecedor de 63 mm (US$ 800), mas a vida útil mais longa e o menor tempo de inatividade compensaram em 18 meses.

Conclusão: DE do aquecedor menor ou igual a 0,5 * Folga do defletor para fluxo forçado
Para um aquecedor PFA em uma folga do defletor, o diâmetro do aquecedor deve ser selecionado de modo que o diâmetro externo seja menor ou igual a 0,5 largura da folga do defletor (W) para fluxo forçado (bombeado ou agitado) e o diâmetro externo menor ou igual a 0,3 W para convecção natural. Isto proporciona área livre suficiente para manter a velocidade mínima de desvio do fluxo de 0,3 m/s (forçado) ou 0,25 m/s (natural). Aquecedores superdimensionados obstruem o fluxo, levando a baixa velocidade, alta temperatura de superfície, aumento de incrustações e falhas precoces. Meça a folga, determine o diâmetro externo máximo permitido e escolha adequadamente. Se o diâmetro externo necessário estiver fora do limite, mova o aquecedor ou use vários aquecedores pequenos. O espaço do defletor é para fluxo, não para colocar o maior aquecedor ali. respeite o espaçamento, dimensione o aquecedor, mantenha o fluxo. Dê ao seu aquecedor anos de serviço e obrigado.