Kolme meetri pikkusel PTFE-soojendil ei ole ühtlast temperatuuri piki selle kesta. Põhja lähedal olev vedelik on jahedam ja soojenedes tõuseb see üles, luues vertikaalse pikkusega õrna, kuid mõõdetava termilise gradiendi. Selle mõistmine aitab temperatuuriandureid õigesti paigutada. Thetemperatuurigradient PTFE sukelküttekeha pikkusnähtus ei ole defekt{0}}see on loomulik tagajärg, kuidas vertikaalne küttekeha suhtleb ümbritseva vedelikuga.
Kuidas loomulik konvektsioon gradiendi loob
Vertikaalne sukelkütteseade kannab soojust naabervedelikule peamiselt loomuliku konvektsiooni kaudu. Kesta alumise osaga otseses kokkupuutes olev vedelik soojeneb, muutub vähem tihedaks ja tõuseb piki küttekeha välispinda. See ülespoole suunatud vool tõmbab jahedamat puistevedelikku alt üles, et seda asendada, värskendades pidevalt põhjas olevat piirdekihti.
Kuna põhja sisenev vedelik on madalaima temperatuuriga, eemaldab see soojust kõige tõhusamalt ümbrise alumisest osast. Kuna sama vedelik liigub mööda kütteseadet ülespoole, neelab see järk-järgult rohkem soojust ja muutub soojemaks. Selleks ajaks, kui see jõuab ülemisse kuumutatud sektsiooni, on vedelik juba osaliselt eelsoojendatud ja seetõttu soojuse eemaldamisel vähem tõhus. Järelikult on köetava sektsiooni ülaosas ümbrise temperatuur veidi kõrgem kui alumises osas.
Praktikas näitab vertikaalne PTFE sukelsoojendi kesta temperatuur, mis tõuseb monotoonselt alt üles. Selle tõusu suurus sõltub mitmest tegurist:
Vattide tihedus– Suurem võimsus pindalaühiku kohta loob järsema kalde.
Vedeliku viskoossus– Viskoossematel vedelikel (nt õlidel) on aeglasem loomulik konvektsioon, mis suurendab gradienti.
Küttekeha pikkus– Pikemad küttekehad võimaldavad kumulatiivset soojuse neeldumist, suurendades ülalt-alla erinevust.
Paagi geomeetria– Küttekeha ümber olevad piirangud (nt paagi seinad või muud osad) võivad voolumustrit muuta.
Tüüpilised gradiendi väärtused
Vesilahuses või õhukeses õlis töötava standardse vertikaalse PTFE sukelsoojendi puhul on temperatuurigradient piki kesta tavaliselt 2–5 kraadi Celsiuse järgi ühe meetri pikkusel kuumutatud pikkusel. Üle kolmemeetrise küttekeha võib täheldada 6–15-kraadist erinevust alt üles, kuigi madalam vahemik (ligi 2 kraadi meetri kohta) on tavalisem mõõduka vattiheduse korral (vähem kui 1 W/cm² või sellega võrdne). Madala viskoossusega, hästi tsirkuleerivates vedelikes võib gradient olla nii väike kui 1–2 kraadi meetri kohta.
Gradient on paagi loomuliku tsirkulatsiooni mustri termiline tunnus, mitte küttekeha enda konstruktsiooni erinevus. PTFE ümbrisel endal on suhteliselt madal soojusjuhtivus (≈0,25 W/m·K), kuid domineerivaks efektiks on vedeliku piirkihi temperatuuri tõus, mitte juhtivus PTFE-s.
Praktilised tagajärjed temperatuuri reguleerimiseks
Kui küttekeha juhtimiseks kasutatakse ühte termopaari või takistustemperatuuri detektorit (RTD), on selle paigutus kriitilise tähtsusega. Soojendusega sektsiooni ülaosas asuv andur loeb keskmisest suuremat temperatuuri, mis võib põhjustada kontrolleri liiga vara väljalülitumist, jättes paagi alumise osa alakuumenenud. Vastupidi, alumisse ossa asetatud andur loeb madalamat temperatuuri, põhjustades kontrolleri ülemise piirkonna ülekuumenemise ja potentsiaalselt ohutu protsessi piiride ületamise.
Soovitatav tava on asetada juhtandur kõrgusele, mis vastab kavandatud protsessi keskmisele vannitemperatuurile. Paljude paakide puhul on asend, mis on veerand kuni üks kolmandik kuumutatud pikkusest põhja kohal, ligikaudu keskmine. Teise võimalusena, kui protsess nõuab äärmiselt ühtlast temperatuuri kogu paagis, tuleks gradiendi täielikuks kõrvaldamiseks kasutada mehaanilist segamist või tsirkulatsioonipumpa. Hästi segatud paagis ületab vedeliku kiirus loomuliku konvektsiooni ja ümbrise temperatuur muutub kogu pikkuses peaaegu muutumatuks.
Andurite paigutus ohutuse ja täpsuse tagamiseks
Lisaks juhtandurile paigutatakse sageli küttekeha ülaosa lähedusse, kus ümbris töötab kõige kuumemalt, sõltumatu kõrgepiiriandur (ületemperatuuri kaitseks). See tagab, et ohutuspiir vastab maksimaalsele võimalikule ümbrise temperatuurile, vältides PTFE lagunemist (mis algab 260 kraadi lähedal, kuigi tüüpilised piirid on seatud madalamale). Madala piiri andur (alatemperatuuri häirete jaoks) on kõige parem paigutada paagi põhja lähedale, kus asub kõige külmem protsessivedelik.
Gradient filmis Still vs Agitated Tanks
Erinevus on kõige selgem paigalseisvates või seisvates mahutites, näiteks väikestes laborianumates või ilma segamiseta säilitusmahutites. Sellistel juhtudel tõuseb loomulik konvektsioonvool kolonnis otse piki kütteseadet, luues stabiilse vertikaalse temperatuuriprofiili. Gradienti saab mõõta termopaari läbimisega piki küttekeha pikkust, kui kütteseade töötab püsiolekus.
Seevastu segaja või külgmise segistiga varustatud paak kogeb sundkonvektsiooni. Suuremahuline vedeliku liikumine pühib küttekehast mööda suurema kiirusega, vähendades piirkihi paksust ja takistades vedeliku järkjärgulist soojenemist kogu pikkuses. Hästi segatud süsteemis võib temperatuurigradient olla alla 0,5 kraadi meetri kohta ja ümbrise temperatuur on põhimõtteliselt ühtlane.
Gradiendi mõõtmine põllul
Kui rajatises on paagi ülaosast allapoole ebaühtlane partii temperatuur, saab vertikaalse PTFE sukelsoojendi gradienti mõõta otse. Tuleb järgida ettevaatusabinõusid: kütteseade tuleb pingest välja lülitada, seejärel võib kasutada kontakttermomeetrit või mittekontaktset infrapunatermomeetrit (kui ümbrisele pääseb juurde ilma seda vedelikust eemaldamata). Sagedamini paigaldatakse uue küttekeha valmistamise ajal ümbrise välisküljele kinnitatud (kuid siiski sukeldatud) väikeste termopaaride seeria. Andmete logimine tüüpilise küttetsükli jooksul näitab täpset profiili.
Kui gradient muutub problemaatiliseks
Enamiku kütterakenduste jaoks-, nagu galvaniseerimine, keemiline töötlemine või vesipuhastus-, on 2–5 kraadi gradient meetri kohta täiesti vastuvõetav. Protsessivedelikul endal on temperatuurimuutus, mis on halva ringluse tõttu sageli suurem. Kuid rakendustes, mis nõuavad äärmist temperatuuri ühtlust, nagu ülitäpne kristallisatsioon, ensüümi reaktsioonivannid või teatud pooljuhtide märgprotsessid, tuleb gradienti hallata. Lahendused hõlmavad järgmist:
Tsirkulatsiooniaasa lisamine pumbaga.
Mitme lühema kütteseadme paigaldamine horisontaalsesse asendisse.
Välise soojendusega mantliga anuma kasutamine sisemise sukelsoojendi asemel.
Järeldus: küttekeha ja vedeliku vestluse arvestamine
Prognoositav vertikaalne temperatuurigradient eksisteerib pikkadel PTFE sukelsoojenditel, mis on tavaliselt vahemikus 2 kuni 5 kraadi kuumutatud pikkuse meetri kohta. Seetemperatuurigradient PTFE sukelküttekeha pikkusefekti põhjustab loodusliku konvektsiooni piirkihi järkjärguline soojenemine, kui see kerkib piki kesta, mitte aga küttekeha enda konstruktsiooni muutused. Selle gradiendi arvessevõtmine viib andurite nutikama paigutuseni-, kus juhtandur on keskmisel kõrgusel, kõrgepiiriandur ülaosas ja alatemperatuuri andur allosas. Punktides on gradient tõeline ja mõõdetav omadus; erutatud tankides see praktiliselt kaob. Kütteseade ja vedelik on pidevas vaikses vestluses ning temperatuurigradient on üks selle kõige kuuldavamaid signaale. Selle gradiendi teadvustamine ja sellega arvestamine tagab ühtlase partii kuumutamise ja hoiab ära nii ala- kui ka lokaalse ülekuumenemise.
