PTFE浸漬ヒーターでの蒸気ブランケットを防ぐ流速はどれくらいですか?

化学プラントでは、再循環ポンプのインペラが腐食し、流量が約 60% 低下したため、6 kW PTFE 浸漬ヒーターが失われました。バルク流体温度は設定値の 3 度以内に留まりました。コントローラーには問題がありませんでした。しかし、ヒーターの表面温度は、表面の液体が蒸発し始める温度を超えていました。蒸気ブランケットが形成され、熱伝達が崩壊し、数時間以内に PTFE に膨れと亀裂が発生しました。

蒸気ブランケットは、PTFE 浸漬ヒーターの最も突然の故障モードです。何か月もかけて発症する浸透や疲労とは異なり、ブランケットを使用すると 1 回のシフトでヒーターが壊れる可能性があります。ほとんどの場合、トリガーはヒーター表面での流速の低下です-この条件により、熱が流体の沸点以下に留まるほど早くヒーターから離れることができるかどうかが決まります。

バルク沸騰前に蒸気ブランケットが発生する理由

バルク沸騰は、流体全体が沸点に達すると発生します。蒸気ブランケットはヒーター表面で発生しますが、バルク流体は沸騰よりはるかに低いままです。メカニズムは単純です。ヒーターの表面温度は常にバルク流体の温度よりも高くなります。差が十分に大きい場合、たとえ周囲の流体が沸点に達しなくても、ヒーターと接触している流体は沸点に達します。

80度の水の沸点は大気圧で100度です。バルクより 25 度高い温度で動作するヒーターは、局所沸点より 105 度-高い温度になります。ヒーター表面に蒸気泡が発生します。流れが十分であれば、気泡は分離し、冷たいバルク流体の中で崩壊します。流れが弱い場合、気泡は合体して蒸気ブランケットとなり、ヒーターを断熱します。

ブランケットが形成されると、熱伝達が崩壊します。ヒーターの表面温度は、多くの場合数秒以内に PTFE の劣化範囲まで急上昇します。ポリマーが軟化し、膨れが生じ、亀裂が生じます。失敗は取り返しがつきません。

80 度の水浴における PTFE 浸漬ヒーターの流速と蒸気ブランケットのリスク

最小速度のしきい値

蒸気ブランケットを防ぐために必要な最小流速は、流体、ワット密度、バルク温度によって異なります。 60 ～ 80 度、ワット密度 1.0 ～ 1.5 W/cm2 の水ベースのバスの場合、通常、ヒーターの表面速度が少なくとも 0.15 m/s あれば、蒸気の泡が合体する前に分離できます。

0.15 m/s 未満では、マージンが急速に狭くなります。 0.1 m/s では、ヒーター-と-のバルクギャップが 25 度を超える可能性があり、ヒーターの表面温度が 70 度を超える浴槽の局所沸点を超えます。 0.05 m/s では-実質的に停滞している-ギャップは 40 度を超える可能性があり、60 度を超える浴槽では蒸気ブランケットが始まります。

粘性流体の場合、最小速度はより高くなります。水の 3 倍の粘度を持つ流体は、同じ境界層の厚さを得るために約 1.5 倍の速度を必要とします。 55 度のスルファミン酸ニッケルの場合、1.2 W/cm2 で安全に動作するための最小速度は約 0.25 m/s です。

PTFE浸漬ヒーター設置における蒸気ブランケットを防止するための最小流速

タンク-レベルの流量測定が誤解を招く理由

ヒーター表面での流速は、ほとんどの場合、タンクの平均速度よりも低くなります。-スパージ パイプとエダクターは、ヒーターの周囲ではなく、ワークピースの周囲に流体を移動させるように配置されています。ヒーターは多くの場合、隅、ラック ガイドの後ろ、または注入口の反対側の壁に設置されており、局所的な速度はバルク平均の数分の 1 です。

めっきタンクのフィールド測定では、ヒーター レベルの速度がタンク平均より 30～70% 低いことが常に示されています。{0}デッドゾーンでは、削減は 80 ～ 90% になる可能性があります。公称速度が 0.3 m/s のタンクでは、ヒーター表面での速度が 0.05 ～ 0.1 m/s しかない可能性があります。

このため、タンク-レベルの流量測定を使用してヒーターの安全な動作を確認することはできません。測定はヒーターの位置で行う必要があります。またはヒーターは十分なマージンを持って既知の高流量ゾーンに配置する必要があります。-

安全な速度を維持するための実際的な対策

ヒーターを主流路に配置します。最高速度と最も均一な流れは、タンクの中心、または循環入口と直接並んで発生します。角、バッフルの後ろ、オーバーフロー堰の近くを避けてください。

ヒーターに向けて専用のエダクターまたはスパージパイプを使用してください。ヒーターから 150 ～ 250 mm の位置に配置され、ヒーター表面に沿って向けられた小さなエダクター ノズルは、局所速度を 0.3 ～ 0.5 m/s に上昇させます。これは、ヒーターでの安全な速度を維持するための最も信頼性の高い方法です。

循環喪失を検出するにはフロースイッチまたは差圧センサーを設置してください。ポンプ吐出ラインのフロースイッチは、流量が安全しきい値を下回るとヒーターへの電力を遮断します。スイッチはメイン制御システムから独立している必要があり、手動リセットが必要です。

低流量ゾーンのワット密度を下げます。-流量を 0.15 m/s 以上に維持できない場所でヒーターを動作させる必要がある場合は、ワット密度を下げてヒーターの表面温度を局所沸点以下に保つ必要があります。停滞ゾーンでは、安全なワット密度は 0.6 ～ 0.8 W/cm² です。

標準ヒーターでは安全な速度を維持できない場合

内部設備が複雑で循環が制限されているタンクでは、ヒーターの安全な動作に必要な流速を提供できないことがよくあります。メインタンクの容積内では正常に動作するヒーターでも、コーナーや設備の後ろでは流量が不足する可能性があります。

流れが最適化された位置、専用のエダクター、およびより低いワット密度を備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成により、流れ不足の根本原因に対処します。{0}仕様プロセスでは、タンクの寸法、循環レイアウト、ヒーターの位置、バスの化学的性質、および必要なワット数が必要です。複数のタンクを備えた施設の場合、この用途固有のアプローチにより、蒸気ブランケットのリスクが軽減され、ヒーターの耐用年数が延長されます。{3}}