Keemiatehas kasutas 2500{9}}liitrist protsessipaaki, mille kõrgus oli 2200 mm ja läbimõõt 1200 mm. PTFE sukelsoojendi paigaldati vertikaalselt piki paagi seina. Kütteseade ebaõnnestus juba pärast seitset kuud töötamist, villid koondusid köetava sektsiooni ülemisse kolmandikku. Paagil ei olnud mehaanilist segamist – see toetus soojuse jaotamiseks loomulikule konvektsioonile. Kõrges paagis tekkinud termiline kihistumine tekitas ülaosas kuuma kihi ja alumisel jaheda kihi ning küttekeha ülemine osa töötas kuumas kihis.
Termiline kihistumine toimub siis, kui vedelikus tekivad stabiilsed erineva temperatuuriga kihid. Kihid ei segune, sest soojem, vähem tihe vedelik jääb jahedama ja tihedama vedeliku peale. Kõrges, nõrga tsirkulatsiooniga paagis võib kihistumine olla tõsine.
Miks kõrged tankid stratifitseerivad
Kihistumist juhib ujuvus. Kui PTFE sukelsoojendi soojendab vedelikku paagi seina lähedal, tõuseb soojendatud vedelik üles. Lühikeses paagis jõuab tõusev vedelik kiiresti pinnale ja levib, segunedes põhimassiga. Kõrges paagis moodustab tõusev vedelik ülaosas stabiilse kihi. Kiht süveneb, kui koguneb rohkem kuumutatud vedelikku.
Ülemise ja alumise kihi temperatuuride erinevus võib kõrges mahutis ilma segamiseta ulatuda 15–25 kraadini. Ülemine kiht on soojem ja vähem tihe. Alumine kiht on jahedam ja tihedam. Kihtide vaheline liides on stabiilne piir, mis takistab segunemist.
| Paagi kõrgus | Kõrguse-ja-diameetri suhe | Looduslik konvektsioon segamine | Ülevalt-kuni-Alt ΔT | Kihistumise risk |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Hea | 3-6 kraadi | Madal |
| 1000–1500 mm | 1:1 kuni 1,5:1 | Mõõdukas | 6-12 kraadi | Mõõdukas |
| 1500–2000 mm | 1,5:1 kuni 2:1 | Vaene | 12-18 kraadi | Kõrge |
| >2000 mm | >2:1 | Väga vilets | 18-25 kraadi | Väga kõrge |
Paagi kõrgus ja kihistumise oht protsessimahutites
Miks kihistumine lühendab PTFE-küttekeha eluiga?
Kütteseade töötab kihilises keskkonnas. Küttekeha alumine osa on jahedamas, tihedamas vedelikus. Ülemine osa on soojemas, vähem tihedas vedelikus. Ülemine sektsioon töötab kõrgemal temperatuuril kui alumine.
Kõrgem temperatuur kiirendab iga lagunemismehhanismi. Läbilaskvus, oksüdatsioon ja katlakivi sadestumine suurenevad temperatuuri tõustes. Küttekeha ülemine osa laguneb kiiremini kui alumine. Villide moodustumine koondub ülaossa.
Kihistumine vähendab ka soojusülekande liikumapanevat jõudu. Paagi ülaosas olev vedelik on juba soe, seega on küttekeha ja vedeliku temperatuuride erinevus väiksem. Kütteseade peab sama soojuse edastamiseks kuumemalt töötama, mis kiirendab lagunemist veelgi.
Miks looduslik konvektsioon ei saa kihistumisest üle?
Looduslikku konvektsiooni juhib kuumutatud vedeliku ja jahedama vedeliku tiheduse erinevus. Kõrges paagis ei ole tiheduse erinevus piisavalt suur, et ületada stabiilset kihilisust. Kuumutatud vedelik tõuseb üles ja jääb ülaossa. See ei segune allpool oleva jahutusvedelikuga.
Kihistus muutub stabiilsemaks, kui temperatuuride erinevus suureneb. 15-kraadine erinevus ülemise ja alumise kihi vahel loob tiheduse erinevuse, mis takistab segunemist. Kihid püsivad stabiilsena, kuni mehaaniline segamine või häire need purustab.
Kihistumise vältimine kõrgetes tankides
Kõige tõhusam ennetus on mehaaniline segamine. Tsirkulatsioonipump, voolik või väljalasketoru võivad stabiilsed kihid purustada ja paagi segada. Segamine peab olema piisav, et paagi maht mõistliku aja jooksul ümber pöörata. Enamiku protsessimahutite jaoks on piisav ringluskiirus 2–4 korda tunnis.
Väiksema vattihedusega küttekeha vähendab temperatuuride erinevust küttekeha ja vedeliku vahel. Madalam pinnatemperatuur vähendab ujuvuse{1}}põhist kihistumist ja aeglustab ülemise kütteosa lagunemist.
Mitu küttekeha, mis on jaotatud paagis erinevatel kõrgustel, tagavad ühtlasema kuumutamise ja vähendavad temperatuuri gradienti. Alumised küttekehad soojendavad jahutusvedelikku ja ülaosas asuvad küttekehad hoiavad soojemat vedelikku. Tulemuseks on ühtlasem temperatuuriprofiil.
| Ennetusmeede | Mõju kihistumisele | Rakendamine | Maksumus |
|---|---|---|---|
| Mehaaniline segamine | Lagundab kihid | Pump, pumba või õhupuhasti | Mõõdukas |
| Madalam vattihedus | Vähendab ujuvust | Küttekeha disain | Mõõdukas |
| Mitu küttekeha erineval kõrgusel | Ühtlane küte | Küttekeha paigutus | Kõrgem |
| Paagi isolatsioon | Vähendab soojuskadu | Isolatsioon | Mõõdukas |
Termilise kihistumise ennetusmeetmed kõrgetes protsessimahutites
Kui kihistumine viitab disainiprobleemile
Kõrge paak, mis kihistub hoolimata mehaanilisest segamisest, näitab, et segamine ei saavuta paagi täismahtu või et küttekeha paigutus ei sobi paagi geomeetriaga. Kohandatud PTFE sukelsoojendi konfiguratsioon mitme erineva kõrgusega küttekeha, väiksema vattiheduse ja voolu-optimeeritud paigutusega lahendab kihistumise algpõhjuse. Spetsifikatsiooniprotsess nõuab paagi mõõtmeid, segamismeetodit, temperatuuri ühtluse nõuet ja nõutavat võimsust. Kõrgete protsessipaakide puhul vähendab see rakendusespetsiifiline lähenemine{4}}kihistumist ja pikendab küttekeha kasutusiga.
