Les solutions chimiques à haute-viscosité créent un problème de chauffage différent de celui des bains à faible-viscosité. Le réchauffeur peut atteindre la puissance électrique requise, mais le réservoir peut toujours présenter une lente récupération de température ou de fortes différences de température entre la zone du réchauffeur et le reste du liquide.
Pour unThermoplongeur en PTFE, la viscosité affecte l'efficacité avec laquelle la chaleur s'éloigne de la surface chauffante. La puissance de chauffage, la surface active, la circulation, la position d'installation et la géométrie du réservoir doivent donc être considérées ensemble.
Pourquoi la viscosité modifie les performances de chauffage
Lorsqu’un liquide devient plus visqueux, sa résistance à l’écoulement augmente. La convection naturelle peut devenir plus faible, tandis que la circulation provenant des pompes ou des agitateurs peut également devenir moins efficace.
Le transfert de chaleur d’un thermoplongeur peut être simplifié comme suit :
Q=hAΔT
oùQest la chaleur transférée,hest le coefficient de transfert de chaleur effectif-,Aest une zone de chauffage active, etΔTest la différence de température entre la surface chauffante et le liquide environnant.
Lorsque le mouvement du liquide autour du radiateur est restreint,hpeut diminuer. Une plus grande différence de température peut alors être nécessaire pour transférer la même quantité de chaleur.
Une viscosité élevée peut créer une couche chaude autour du radiateur
Une solution à haute-viscosité peut s'éloigner lentement de la surface du radiateur.
Le liquide entourant immédiatement le réchauffeur peut donc devenir considérablement plus chaud que la solution en vrac.
Cela crée deux problèmes.
Le premier est la non-uniformité de la température. La seconde est une charge thermique accrue à la surface du radiateur.
Un capteur de réservoir placé loin du radiateur peut continuer à afficher une température inférieure à la température cible même si le liquide entourant immédiatement la surface chauffante est déjà beaucoup plus chaud.
Le simple fait d’augmenter la puissance du chauffage peut aggraver cette situation.
La surface de chauffage devient plus importante
Le flux thermique moyen de la surface chauffante peut être estimé avec :
q = P/A
oùPest l'énergie électrique etAest une zone de chauffage active.
Prenons un exemple de besoin en chauffage de 10 kW :
| Configuration | Pouvoir | Zone de chauffage active | Flux thermique moyen |
|---|---|---|---|
| Chauffage compact | 10 kW | 0.50 m² | 20 kW/m² |
| Chauffage de zone-moyenne | 10 kW | 0.80 m² | 12,5 kW/m² |
| Chauffage distribué | 10 kW | 1.20 m² | 8,3 kW/m² |
Ces chiffres sont des calculs illustratifs et non des valeurs de fonctionnement universelles admissibles en PTFE.
L’augmentation de la zone active peut distribuer la même puissance électrique sur une plus grande surface. La question de savoir si cela améliore les performances réelles du processus dépend de la circulation, des propriétés chimiques, de la géométrie du réchauffeur et des dimensions du réservoir.
Les changements de température peuvent affecter la viscosité
De nombreux liquides chimiques deviennent moins visqueux à mesure que la température augmente.
Cela crée une dynamique importante lors du démarrage.
Au début du chauffage, la solution peut être relativement visqueuse et la circulation peut être mauvaise. À mesure que la température augmente, la viscosité peut diminuer et le mouvement du fluide peut s'améliorer.
Le système de chauffage peut donc se comporter différemment lors du démarrage et du fonctionnement en régime permanent.
Un élément chauffant dimensionné uniquement à partir de la condition-de régime permanent peut fournir des performances de démarrage insuffisantes si la viscosité initiale est considérablement plus élevée.
La circulation mécanique doit correspondre au fluide
Pour les solutions à haute-viscosité, une circulation mécanique peut être nécessaire pour déplacer la chaleur à travers le réservoir.
Cependant, la capacité nominale de la pompe ne garantit pas à elle seule un transfert de chaleur efficace.
Le chemin d'écoulement doit atteindre la zone de chauffage et transporter le liquide chauffé vers les parties les plus froides du réservoir.
Un système de circulation qui contourne le réchauffeur peut avoir un débit global élevé tout en produisant un faible transfert de chaleur local.
La position de l'agitateur, l'entrée de la pompe, l'emplacement de refoulement, la tuyauterie interne et l'emplacement du réchauffeur doivent donc être évalués comme un système complet.
La position du chauffage peut réduire les zones stagnantes
Un appareil de chauffage installé dans un coin ou près d’une paroi de réservoir peut subir un faible échange de liquide.
Pour les solutions visqueuses, ce problème peut être plus prononcé.
La surface de chauffage active doit idéalement être positionnée là où la circulation atteint le réchauffeur dans plusieurs directions ou là où le flux de processus est intentionnellement dirigé à travers la zone de chauffage.
L'espace libre entre le fond et les parois du réservoir doit également tenir compte des sédiments, des dépôts et de l'accès pour l'entretien.
Le temps de chauffage peut être estimé à partir des propriétés du fluide
Supposons qu'un réservoir illustratif contienne 600 kg d'une solution chimique à haute viscosité-avec une capacité thermique spécifique de 2,8 kJ/(kg·K). L'augmentation de température requise est de 40 degrés.
L’énergie de chauffage sensible est :
Q=mcΔT
Q=600 × 2,8 × 40=67,200 kJ
Cela équivaut à environ 18,7 kWh.
Avec un appareil de chauffage de 12 kW, la durée de chauffage idéale-sensible serait d'environ :
18,7 ÷ 12=1.56 heures
Le temps de chauffage réel sera plus long en raison de la perte de chaleur du réservoir, de la tuyauterie, de l'évaporation, du chargement des pièces et d'autres effets thermiques.
L'exemple montre également pourquoi le choix du réchauffeur doit utiliser la capacité thermique spécifique réelle de la solution chimique plutôt que de supposer les propriétés de l'eau.
La puissance doit correspondre à la condition de transfert de chaleur réelle-
Pour les bains à haute-viscosité, la sélection d'un appareil de chauffage avec une puissance excessive peut créer un environnement thermique difficile.
Une meilleure approche consiste à équilibrer :
Taux de chauffage requis
Zone de chauffage active
Flux thermique moyen
Capacité de circulation
Viscosité du bain
Température de fonctionnement
Géométrie du réservoir
Exigence d’uniformité de la température
L’objectif n’est pas simplement une puissance de chauffage maximale. L’objectif utile est un transfert de chaleur suffisant sans concentration thermique locale excessive.
Quelles informations doivent être incluses dans les achats ?
Une application chimique à haute viscosité-doit fournir :
Composition chimique
Viscosité à la température de démarrage
Viscosité à température de fonctionnement
Capacité thermique spécifique
Densité
Température cible
Temps de chauffage requis
Dimensions du réservoir
Méthode de circulation
Niveau de liquide minimum
Puissance de chauffage requise
Alimentation électrique disponible
Ces informations permettent unThermoplongeur en PTFEêtre conçu autour du comportement réel du fluide plutôt que d'une hypothèse simplifiée-basée sur l'eau.
Pour les solutions particulièrement visqueuses, les circulations restreintes, les réservoirs profonds ou les charges de chauffage importantes, une surface de chauffage et une géométrie de chauffage personnalisées peuvent assurer une meilleure répartition thermique. La configuration finale doit équilibrer le flux de chaleur, la circulation, la profondeur d'immersion et la température du processus pour obtenir un chauffage stable dans tout le réservoir de produits chimiques.
