Hvordan dimensjonere en PTFE-varmer for en tank med et flytende plastdeksel for røykdemping?

De er fantastiske måter å undertrykke røyk og spare energi. Å legge til et flytende deksel til en åpen tank er en fantastisk metode for å redusere røyk og spare energi. Men hvis du beregner watt for en ny varmeovn for en dekket tank, blir den vanlige tommelfingerregelen «watt-per-gallon» for konservativ, og etterlater deg en stor og dyr varmeovn. Tilsetningen av et flytende plastdeksel bestående av hule plastkuler, en solid skumplate eller flytende fliser endrer dramatisk den termiske oppførselen til et åpent væskebad. Lokket hemmer fordampning, den viktigste modusen for varmetap for de fleste åpne industritanker. Varmeapparatet må likevel være dimensjonert for to forskjellige driftsforhold, innledende oppvarming og stabil vedlikehold. For å kunne dimensjonere PTFE-varmere riktig for tankflytende dekselapplikasjoner er det nødvendig å forstå hvordan dekselet påvirker hver tilstand.

Hvorfor åpne tanker mister varmen raskere enn dekkede tanker - Fysikken
Utsatte tanker mister varme gjennom tre hovedmekanismer:

Fordampning: Molekyler går bort fra overflaten av væsken og tar bort den latente fordampningsvarmen. Dette er generelt det største tapet, spesielt ved høye temperaturer (f.eks. . 60–90 grader ).

Konveksjon: Den varme luften over væsken går opp og frakter varmen bort fra overflaten.

Stråling og ledning via tankvegger: Varme stråler ut fra væskeoverflaten og ledes gjennom tankveggene og bunnen.

Et flytende deksel gir en barriere mellom væskeoverflaten og atmosfæren og reduserer fordampningstapet betydelig. De fleste flytende deksler har også en viss isolasjonsverdi, slik at konveksjonstap og strålingstap fra overflaten minimaliseres. Avhengig av dekseldesign og passform, kan det totale varmetapet fra en dekket tank faktisk reduseres med 50-70 % sammenlignet med en åpen tank. Imidlertid modifiserer dekselet ikke varmen som kreves for å heve temperaturen på bulkvæsken fra kaldstart til driftstemperatur.

Dekselet påvirker ikke-oppvarming
Den opprinnelige varmeeffekten avhenger kun av:

Væskemasse (i kg eller lb)

Væskens spesifikke varme (for vannbaserte løsninger, et sted ca. 4,18 kJ/kg grad eller 1 BTU/lb grad F)

Nødvendig temperaturøkning (omgivelsestemperatur til settpunkt, ΔT)

Tillatt rampetid (timer eller minutter)

Eller, i praktiske tall, for vann omtrent 2,5 watt-timer per gallon per grad F (0,66 Wh/L· grad ), og neglisjerer varmetap i oppvarmingen. Legg til tap (som de alltid skal være), og du ser på ca. 3-4 W/gal- grader F for en uisolert åpen tank. Et flytende deksel gjør ingen forskjell for denne beregningen. Dette er fordi ved begynnelsen av oppvarmingen er overflaten av væsken kald og fordampningstapene er små inntil temperaturen nær settpunktet. Enda viktigere er at lokket ikke reduserer mengden energi som må legges inn i den flytende massen. Så strømforbruket for å varme opp er nøyaktig det samme som for en utildekket tank.

Vedlikeholdseffekt: Drastisk redusert
Når tanken er i driftstemperatur, må varmeapparatet enkelt gjøre jobben med å erstatte varmen som går tapt til omgivelsene. I en åpen tank råder fordampningstapet. Et flytende deksel eliminerer praktisk talt fordampningstap (hvis det er fullstendig forseglet), og reduserer konvektivt og strålingsoverflatetap. Resten av tapene dekkes av:

Vegger og bunn av tank (ledning)

Selve det flytende dekselet (ledning gjennom plast)

Eventuelt mellomrom mellom dekselet og tankveggene

I praksis kan vedlikeholdseffekten for en dekket tank estimeres til 30-50 % av vedlikeholdsverdien for åpen tank. For eksempel vil et vanlig vannbasert beisings- eller rensebad ved 60-70 grader ha åpen tank vedlikehold på kanskje 20-30 W/ft^2 væskeoverflate, pluss veggtap. Med et flytende plastkuledeksel reduseres overflatetapene til 5-10 W/ft2. Et solid flytende skumark kan være lavere.

Hvordan dimensjonere en PTFE-varmer for en dekket tank
Den riktige dimensjoneringsmetodikken er basert på 2 beregninger og den største av de 2 brukes til å beregne installerte watt.

Trinn 1: Beregn Heat-Up Power (må gjøres, dekke eller ikke dekke)
Beregn væskevolumet i gallons eller liter

Multipliser med tetthet for å få masse.

Velg en rampetid som er realistisk (vanligvis 2–4 timer for de fleste industritanker).

Bestem kraften som trengs for å varme opp væsken fra omgivelsestemperatur (f.eks. . 20 grad ) til settpunkt (f.eks. . 70 grad ) på den tiden, ved å bruke den spesifikke varmen til væsken.

Legg til en prosentandel for tap under oppvarming-(omtrent 10-20 % for en dekket tank under oppvarming, siden overflaten fortsatt mister noe varme når temperaturen stiger).

En vanntank på 500 gallon (≈ 4000 lb) må varmes opp fra 20 grader til 70 grader (ΔT=50 grader=90 grader F) på 3 timer. I teorien er energien 4000 lb × 90 grader F × 1 BTU/lb· grad F=360,000 BTU. 360,000 BTU ÷ 3412 BTU/kWh=105.5 kWh, eller konverter til kW. Gjennomsnittlig effekt=35.2 kW over 3+ timer. Legg til 15 % for tap og du får ca 40 kW varmeeffekt.

Trinn 2: Beregn vedlikeholdseffekt (mindre dekning)
Estimer det totale varmetapet fra den dekkede tanken ved settpunktet. Dette omfatter:

Tap av flytende dekseloverflate (bruk produsentens data eller tekniske estimater: ~5–10 W/ft^2 for plastkuler, ~3–6 W/ft^2 for solid skumplate ved 20 grader luft-temperaturforskjell)

Vegg- og bunntap (ikke avhengig av dekning, vanligvis 5 til 15 W/ft² av utvendig tankoverflate)

Legg disse tapene sammen for å få steady state vedlikeholdswattene.

For eksempel har en 500-liters tank et væskeoverflateareal på 20 fot². Flytende plastkuler, overflatetap=8 W/ft 2=160 W. Veggareal (ikke inkludert topp)=80 ft 2 Veggtap=10 W/ft 2=800 W Vedlikehold Totalt=960 W (≈1 kW). Selv med en konservativ sikkerhetsfaktor på 2 er vedlikeholdet fortsatt bare 2kW.

Trinn 3: Sammenligning og valg av installert effekt
Oppvarmingseffekten- (40 kW) er betydelig større enn vedlikeholdseffekten (1-2 kW). Den installerte effekten på PTFE-varmeren må være minst 40 kW for den nødvendige oppvarmingstiden. Dekselet reduserer ikke dette kravet. Når tanken er på temperatur, vil imidlertid varmeren slå seg av eller kjøre på en svært lav driftssyklus, og trekker kun de 1-2 kW som trengs for å ta igjen tapene. Dette er en betydelig energireduksjon sammenlignet med en åpen tank som kan kreve 4-6 kW for vedlikehold.

Å legge til et deksel gjør tanken til et bedre stabilt-system, men det endrer ikke termodynamikken ved å varme den opp fra kulde. Dimensjonering basert på vedlikeholdskraft alene vil gi en varmeovn som vil kunne holde temperaturen, men som vil ta urimelig lang tid (flere timer eller dager) å nå settpunktet fra en kaldstart.

Praktisk PTFE-varmeapparat dimensjoneringsveiledning
Påføring av flytende deksel på tanken i PTFE-varmerstørrelse: Følgende handlinger anbefales:

Beregn alltid-oppvarmingseffekt først ved å bruke tankvolumet, nødvendig rampetid og væskespesifikk varme. Dette vil nesten alltid påvirke den totale effekten installert.

Estimer driftskostnader og ved å beregne vedlikeholdseffekten med dekselet på, sørg for at den laveste kontrollerbare effekten til varmeren (hvis du bruker en strømkontroller) kan senkes nok til å forhindre overskridelse av temperaturen.

Ikke reduser varmeeffekten på grunn av dekselet. Dette betyr sakte oppvarming-, sen produksjonsstart og misfornøyde kunder.

Bruk flere små varmeovner i stedet for én stor varmeovn. Bedre temperaturuniformitet og redundans. Dette gjelder spesielt i tanker med deksel, fordi dekselet kan hindre naturlige konveksjonsstrømmer.

PTFE-varmeren bør være under det flytende dekselet, vanligvis i bunnen av tanken for god sirkulasjon. Ikke la dekselet berøre varmeren.

Spesielle hensyn: Sykling og termostatvalg
Den installerte varmeovnens kapasitet er 40 kW, og vedlikeholdsbelastningen kan være så lav som 1–2 kW. Derfor kan en normal på-av-termostat med en betydelig forskjell generere for høye temperatursvingninger (over- og undersving). En PID-kontroller anbefales eller en proporsjonal effektregulator (SCR). Disse enhetene reduserer effekten etter hvert som settpunktet er nådd, slik at det store 40 kW-elementet ikke fyller full varme i en tank som bare trenger 2 kW erstatningsenergi.

Sammendrag
Bruk av flytende plastdeksel er en effektiv energisparestrategi for åpne tanker, da det reduserer fordampende varmetap og dannelse av røyk. Når det gjelder størrelse på varmeapparat, reduserer dekselet betraktelig vedlikeholdsstrømbehovet, men det reduserer ikke-oppvarmingseffekten. Effekten på den installerte PTFE-varmeren må fortsatt være basert på energien som kreves for å varme opp hele væskevolumet fra omgivelsestemperatur til driftstemperatur innen en akseptabel periode. Den største fordelen er etter oppvarming-, når varmeren går ned til en brøkdel av den installerte kapasiteten, noe som reduserer driftskostnadene betydelig. Energibesparende tiltak bør inkluderes i dimensjoneringsprosessen, ikke ved å redusere størrelsen på den installerte varmeovnen, men ved å velge passende kontrollsystemer som drar fordel av det lavere stabile-behovet. En riktig dimensjonert tank vil varmes opp raskt når den brukes og operere effektivt under dekselet, noe som gir produktivitet og energibesparelser.