Une usine chimique a remplacé un thermoplongeur en PTFE dans un bain de placage après neuf mois de service. Le même modèle de chauffage a duré quatre ans dans un réservoir similaire dans une installation différente. La différence résidait dans la concentration en matières dissoutes. L'installation échouée a fait fonctionner un bain avec 350 g/L de sels dissous, tandis que l'installation réussie a fonctionné à 120 g/L. La concentration plus élevée de solides avait augmenté la viscosité et réduit la conductivité thermique du fluide, abaissant ainsi la densité de puissance sûre.
Les solides dissous affectent le transfert de chaleur de deux manières. Ils augmentent la viscosité du fluide, ce qui épaissit la couche limite thermique à la surface du réchauffeur. Ils réduisent également la conductivité thermique du fluide, ce qui diminue la vitesse à laquelle la chaleur se déplace dans le fluide. L'effet combiné est un coefficient de transfert de chaleur par convection plus faible et une température de surface du radiateur plus élevée pour une densité de watts donnée.
Comment les solides dissous modifient les propriétés des fluides
À mesure que la concentration de matières dissoutes augmente, le fluide devient plus visqueux et moins conducteur thermique. L'augmentation de la viscosité est à peu près linéaire avec la concentration pour la plupart des sels. La diminution de la conductivité thermique est plus faible mais reste mesurable.
Un bain de placage contenant 300 g/L de sels dissous peut avoir une viscosité deux à trois fois supérieure à celle de l'eau à la même température. La conductivité thermique peut être inférieure de 10 à 15 %. Le coefficient de transfert de chaleur par convection, qui dépend des deux propriétés, peut être inférieur de 25 à 40 % à celui de l'eau.
| Solides dissous | Viscosité relative | Conductivité thermique relative | Coefficient de convection par rapport à l'eau | Densité de puissance sûre |
|---|---|---|---|---|
| <50 g/L | 1.0–1.1× | 0.98–1.0× | 0.9–1.0× | 1,4 à 1,6 W/cm² |
| 50–150 g/L | 1.1–1.4× | 0.95–0.98× | 0.75–0.90× | 1,2 à 1,4 W/cm² |
| 150–250 g/L | 1.4–1.8× | 0.92–0.95× | 0.60–0.75× | 1,0–1,2 W/cm² |
| 250–350 g/L | 1.8–2.5× | 0.88–0.92× | 0.45–0.60× | 0,8 à 1,0 W/cm² |
| >350 g/L | >2.5× | <0.88× | <0.45× | 0,6 à 0,8 W/cm² |
Concentration de solides dissous et son effet sur les propriétés du fluide et la densité de puissance sûre
Pourquoi le même modèle de chauffage échoue à des teneurs élevées en solides
Un appareil de chauffage qui fonctionne à 1,2 W/cm² dans un bain à faible teneur en solides-peut avoir une température de surface de 15 à 18 degrés supérieure à celle du fluide en vrac. Le même appareil de chauffage dans un bain à haute teneur en solides- peut avoir une température de surface de 25 à 35 degrés supérieure à la température ambiante. La température de surface plus élevée accélère la perméation, l’oxydation et le dépôt de tartre.
La température de surface plus élevée augmente également la force motrice du dépôt. Les sels dissous qui sont proches de la saturation à la température globale peuvent dépasser la saturation à la surface du réchauffeur. Ils précipitent sur la surface, formant une couche de tartre qui ajoute une résistance thermique et augmente encore la température de la surface.
Limites pratiques de densité en watts pour les bains à haute-solides
Pour les bains contenant des matières dissoutes supérieures à 250 g/L, la densité de puissance sûre est de 0,8 à 1,0 W/cm² dans des conditions modérément agitées. Pour les bains supérieurs à 350 g/L, la limite tombe à 0,6–0,8 W/cm². Ces valeurs supposent une limite de température de surface du radiateur de 100 à 110 degrés.
| Solides dissous | Température | Densité de puissance sûre | Surface pour 5 kW | Durée de vie prévue |
|---|---|---|---|---|
| <100 g/L | 60 degrés | 1,4 W/cm² | 3 571 cm² | 4 à 6 ans |
| 100–200 g/L | 60 degrés | 1,2 W/cm² | 4 167 cm² | 3 à 4 ans |
| 200–300 g/L | 60 degrés | 1,0 W/cm² | 5 000 cm² | 2 à 3 ans |
| 300–400 g/L | 60 degrés | 0,8 W/cm² | 6 250 cm² | 18 à 30 mois |
| >400 g/L | 60 degrés | 0,6 W/cm² | 8 333 cm² | 12 à 24 mois |
Exigences sûres en matière de densité de puissance et de surface en fonction de la concentration en matières dissoutes
Mesure des solides dissous
La concentration en matières dissoutes peut être mesurée en évaporant un échantillon du bain et en pesant le résidu. La mesure doit être effectuée à la température de fonctionnement ou corrigée à la température de fonctionnement.
Un conductivimètre fournit une estimation rapide des solides dissous. La conductivité est en corrélation avec la concentration pour la plupart des bains de placage. La relation doit être calibrée pour la chimie spécifique du bain.
Lorsque les radiateurs standard ne peuvent pas répondre aux exigences de densité en watts
Les bains de placage à haute teneur en solides-avec des exigences de puissance élevées et un espace périphérique limité ne peuvent souvent pas accueillir de thermoplongeurs PTFE standards aux faibles densités de watts exigées par la chimie. Une configuration de thermoplongeur en PTFE personnalisée avec une grande surface, une faible densité en watts et une position optimisée en termes de débit-résout la cause première de l'inadéquation de la densité en watts. Le processus de spécification nécessite la concentration en matières dissoutes, la température de fonctionnement, les dimensions du réservoir, les conditions de débit et la puissance requise. Pour les installations dotées de bains à haute teneur en solides-, cette approche spécifique à l'application-réduit la dégradation du revêtement et prolonge la durée de vie du réchauffeur.
