จะคำนวณความยาวเครื่องทำความร้อน PFA ที่จำเป็นสำหรับถังที่มีระดับของเหลวขั้นต่ำ 500 มม. และระดับสูงสุด 2,000 มม. โดยไม่มีความร้อนสูงเกินไปของโซนไอระเหยได้อย่างไร

เครื่องทำความร้อน PFA ที่ยาวเกินไปจะมีปริมาณมากเกินไปที่สัมผัสกับโซนไอที่ระดับของเหลวต่ำในถังที่ระดับของเหลวเปลี่ยนแปลง (เช่น การประมวลผลเป็นชุด เครื่องระเหย หรือถังดับ) นำไปสู่ความร้อนสูงเกินไปและความล้มเหลวเร็ว ระดับของเหลวขั้นต่ำ-แทนที่จะเป็นระดับสูงสุด-เป็นตัวกำหนดความยาวของเครื่องทำความร้อนที่จำเป็น การออกแบบที่ปลอดภัยจะรักษาส่วนที่สัมผัส (โซนไอ) ของเครื่องทำความร้อนไว้ที่หรือต่ำกว่า 20–25% ของความยาวโดยรวม ความยาวเครื่องทำความร้อนสูงสุดคือ 500 / (1 – 0.25)=667 มม. สำหรับระดับของเหลวขั้นต่ำ 500 มม. สิ่งนี้รับประกันได้ว่าส่วนที่สัมผัสจะทำงานที่อุณหภูมิพื้นผิวต่ำกว่า และอย่างน้อย 75% ของเครื่องทำความร้อนจะจมอยู่ใต้น้ำที่ระดับต่ำสุด ติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบเว้นระยะห่างหลายเครื่อง หรือใช้เครื่องทำความร้อนที่มีความหนาแน่นของวัตต์-ไม่เท่ากัน (กำลังไฟฟ้าที่ต่ำกว่าในโซนด้านบน) หากจำเป็นต้องใช้เครื่องทำความร้อนที่ยาวขึ้นเพื่อให้ความร้อนสม่ำเสมอที่การเติมสูงสุด

กลไกการเกิดความร้อนสูงเกินไปของโซนไอ
ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (h) ในโซนของเหลวโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 500 ถึง 5,000 W/m²·K H ลดลงเหลือ 10–100 วัตต์/ตร.ม.K ในโซนไอ (อากาศ ไอน้ำ หรือไอกรด) อุณหภูมิพื้นผิวในโซนไอของเครื่องทำความร้อนที่มีความหนาแน่นของวัตต์สม่ำเสมอ q (W/cm²) คือ T_vapor=T_ambient + q / h_vapor T_vapor=80 + 30,000/30=1,080 องศาเป็นไปไม่ได้สำหรับ q=3 W/cm² (30,000 W/m²) และ h_vapor=30 W/m²·K อุณหภูมิของปลอก PFA ยังคงเกิน 250–350 องศา ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการหลอมละลายหรือความเสียหายร้ายแรง แม้ว่าตัวทำความร้อนจะ-ควบคุมตัวเองจริงๆ เมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิก็ตาม เนื่องจากฟลักซ์ความร้อนโซนไอที่ปลอดภัยคือน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.0 วัตต์/ซม.² q_vapor จึงต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10,000 วัตต์/ตร.ม. q_vapor=q_liquid สำหรับเครื่องทำความร้อนสม่ำเสมอ เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพในโซนไอมีขนาดใหญ่พอที่จะลดฟลักซ์ที่เกิดขึ้นจริง วิธีเดียวที่จะรักษาโซนไอให้ปลอดภัยคือการจำกัดสัดส่วนของเครื่องทำความร้อนที่สัมผัส อย่างไรก็ตาม ส่วนที่สัมผัสออกยังคงผลิตไฟฟ้าในปริมาณเท่ากันต่อหน่วยความยาว โดยที่เครื่องทำความร้อนมีความหนาแน่นของวัตต์สม่ำเสมอ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะขึ้นอยู่กับไอระเหยคงที่ แต่สามารถใช้เครื่องทำความร้อนที่ยาวกว่าซึ่งมีกำลังรวมเท่ากันเพื่อลดความหนาแน่นของวัตต์ (q) ทั่วทั้งเครื่องทำความร้อนได้ q=P / (π × D × L) สำหรับกำลังรวมที่ตั้งไว้ P และความยาว L โดย Q จะลดลงตามสัดส่วนเมื่อ L เพิ่มขึ้น

วิธีการกำหนดความยาวเครื่องทำความร้อนขั้นต่ำ ให้:

L_min คือระดับของเหลวต่ำสุดในหน่วยมิลลิเมตร

L_heater คือความยาวโดยรวมของเครื่องทำความร้อน (มม.)

f_exposed=L_exposed / L_heater=เปอร์เซ็นต์ที่สัมผัส=(L_heater – L_min) / L_heater

q_design คือความหนาแน่นของวัตต์ (W/cm²) ที่กำหนดโดยพื้นที่ผิวและกำลังทั้งหมด

ฟลักซ์ความร้อนบริเวณไอระเหยจะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ q_max_vapor=1.0 W/cm² เพื่อให้โซนไอทำงานได้อย่างปลอดภัย ในทางกลับกัน โซนไอจะมีค่า q เท่ากันหากเครื่องทำความร้อนมีค่า q สม่ำเสมอ ด้วยเหตุนี้ เครื่องทำความร้อนจะต้องสร้างด้วยเศษส่วนที่สัมผัสเพียงเล็กน้อยหรือจำนวน q รวมที่ต่ำ เพื่อให้แม้แต่ส่วนที่สัมผัสนั้นก็ปลอดภัย กลยุทธ์ที่สมเหตุสมผลที่สุดคือการลดค่า f_exposed ให้เหลือน้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.25 และออกแบบให้มี q โดยรวมต่ำ ( น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.5 วัตต์/ซม.²)

ตามกฎทั่วไป L_heater < L_min / (1 – f_max) โดยที่ f_max คือเศษส่วนสัมผัสสูงสุดที่อนุญาต (โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 0.20 ถึง 0.25) L_heater น้อยกว่าหรือเท่ากับ 500 / 0.75=667 มม. สำหรับ L_min=500 มม.

ความยาวของฮีตเตอร์ที่จำเป็นสำหรับสถานการณ์ระดับต่างๆ
ระดับของเหลวขั้นต่ำ (มม.)ระดับของเหลวสูงสุด (มม.)ความยาวเครื่องทำความร้อนที่แนะนำ (มม.) ระดับต่ำสุด เศษส่วนสัมผัส (%) รวม q (W/cm²) ที่ 6 kW, 25 มม. OD ความปลอดภัยของโซนไอระเหย 500 2,000 650 23% 4.7 (สูงเกินไป)ไม่ปลอดภัย เว้นแต่ q ลดลง 500 2,000 1,200 58% 2.5 ไม่ปลอดภัย (สัมผัสสูงเกินไป) 500 2,000 650 (สำหรับ 3 kW เท่านั้น) 23% 2.35 ยอมรับได้ (q ต่ำ) 800 2,000 1,000 20% 3.0 ส่วนเพิ่ม (q ที่ขีดจำกัด) 800 2,000 1,200 (พร้อมกำลังลดพิกัด) 33% 2.0 (ลดพิกัด) ยอมรับได้ 1,000 3,000 1,250 20% 2.4 ดี
เครื่องทำความร้อนแบบเซหลายตัวคือคำตอบ หากความยาวเครื่องทำความร้อนที่จำเป็นสำหรับการครอบคลุมที่สมบูรณ์ในระดับสูงสุดนั้นยาวกว่าความยาวที่ปลอดภัยในระดับต่ำสุดอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น วางเครื่องทำความร้อนขนาดกลางให้สูงขึ้น (1,200 มม.) เครื่องทำความร้อนแบบยาว (2,000 มม.) ที่ด้านบน และเครื่องทำความร้อนแบบสั้น (650 มม.) ที่ด้านล่าง เมื่อระดับต่ำ เฉพาะฮีตเตอร์ด้านล่างเท่านั้นที่ทำงาน เมื่อเต็มแล้วทุกอย่างก็ทำงาน

ตัวอย่างในภาคสนาม
The minimum liquid level in a waste evaporator was 600 mm, while the highest was 2,500 mm. There was only one 2,000 mm PFA heater installed. 1,400 mm (70%) was exposed to vapor at the lowest level. Within three months, the heater broke down. The plant replaced it with three heaters: 600 mm (1.5 kW), 1,200 mm (2 kW), and 2,000 mm (2.5 kW), each with level sensors. The 600 mm heater only turned on when level >650 mm. The 2,000 mm heater only turned on when level >1,800 มม. ไม่มีเครื่องทำความร้อนใดที่มองเห็นการสัมผัสเกิน 20% เครื่องทำความร้อนทั้งสามเครื่องกินเวลา 5+ ปี

ความหนาแน่นของวัตต์ไม่สม่ำเสมอ-เป็นทางเลือก
หากไม่สามารถใช้งานเครื่องทำความร้อนหลายเครื่องได้ ให้ระบุเครื่องทำความร้อนเครื่องเดียวที่มีความหนาแน่นของวัตต์ไม่เท่ากัน-: ความยาวเครื่องทำความร้อน 30% ด้านบนให้พลังงานเพียง 20% ต่อความยาวหน่วย ในขณะที่ 70% ด้านล่างให้พลังงาน 80% ซึ่งสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนระดับเสียงของลวดต้านทาน (ดูบทความ #25) พื้นที่ด้านบนที่เปิดโล่งมีฟลักซ์ความร้อนลดลงในระดับต่ำสุด ซึ่งทำให้อุณหภูมิพื้นผิวลดลง แม้ว่าการออกแบบนี้จะเพิ่มต้นทุนการผลิตได้ 20–30% แต่ก็ทำให้เครื่องทำความร้อนตัวเดียวสามารถจัดการกับการตั้งค่าที่แตกต่างกันได้

โดยสรุป ความยาวของเครื่องทำความร้อนฐานที่มีระดับของเหลวขั้นต่ำคือ 20–25% ค่าเผื่อการสัมผัส
เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้บริเวณที่มีไอน้ำร้อนเกินไป ต้องกำหนดความยาวของเครื่องทำความร้อน PFA สำหรับถังที่มีระดับของเหลวเปลี่ยนแปลงจากระดับของเหลวขั้นต่ำ ไม่ใช่ค่าสูงสุด การออกแบบที่ปลอดภัยจะรักษาเปอร์เซ็นต์การสัมผัสไว้ที่หรือต่ำกว่า 20–25% ในระดับต่ำสุด ความยาวเครื่องทำความร้อนสูงสุดคือ 650–670 มม. ที่ระดับขั้นต่ำ 500 มม. ใช้เครื่องทำความร้อนความหนาแน่นของวัตต์ที่ไม่สม่ำเสมอ- หรือเครื่องทำความร้อนแบบเซหลายเครื่อง หากจำเป็นต้องใช้เครื่องทำความร้อนที่ยาวกว่าเพื่อให้กระบวนการมีความสม่ำเสมอ ภายในไม่กี่เดือน เครื่องทำความร้อนขนาดยาวเครื่องเดียวที่มีเศษส่วนสัมผัสสูงจะพังทลาย ความทนทานต่อการสัมผัสของเครื่องทำความร้อนไม่เปลี่ยนแปลงตามระดับ เพิ่มความซ้ำซ้อนหรือปรับขนาดสำหรับสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด{12}} ระดับต่ำสุด ไม่ใช่ระดับสูงสุด เป็นตัวกำหนดว่าเครื่องทำความร้อนจะมีอายุการใช้งานนานแค่ไหน