تمثل الحمامات الكيميائية منخفضة التدفق-حالة حرارية صعبة. قد تتطلب العملية عدة كيلووات من التسخين، ولكن الدوران المحدود يعني أن السائل لا يمكنه إزالة الحرارة من سطح التسخين بكفاءة مثل الخزان المختلط جيدًا.
للوحة التدفئة، تصبح مساحة السطح النشطة متغيرًا حاسمًا في التصميم. يمكن أن تؤدي زيادة المساحة إلى تقليل متوسط تدفق الحرارة، في حين أن تقليل المساحة يجعل السخان المدمج ممكنًا ولكنه يزيد الحمل الحراري على السطح المكشوف.
تتحكم المنطقة النشطة في متوسط تدفق الحرارة
العلاقة الأساسية هي:
q = P / A
أينqمتوسط التدفق الحراري،Pهي قوة التدفئة، وAهي مساحة السطح النشطة.
تنتج لوحة التسخين بقدرة 4 كيلووات بمساحة نشطة تبلغ 0.16 مترًا مربعًا متوسط تدفق حراري يبلغ حوالي 25 كيلووات/م2.
إذا تم تركيز نفس 4 كيلوواط في 0.08 متر مربع، فإن متوسط تدفق الحرارة يتضاعف إلى حوالي 50 كيلو واط / متر مربع.
ولم تتغير الطاقة الكهربائية، ولكن الطلب الحراري المطبق على كل وحدة من وحدات المساحة السطحية أعلى بكثير.
التدفق المنخفض يجعل المنطقة أكثر قيمة
عندما تكون حركة السائل ضعيفة، تصبح الطبقة الحدودية الدافئة القريبة من سطح التسخين أكثر سمكًا.
يصبح نقل الحرارة أقل فعالية لأن السائل الساخن يبقى بالقرب من اللوحة بدلاً من استبداله بسرعة بسائل أكثر برودة.
يقوم سطح التسخين الأكبر بتوزيع الطاقة المطلوبة على مساحة أكبر.
وهذا لا يخلق دورانًا أقوى في حد ذاته، ولكنه يمكن أن يقلل من الكثافة الحرارية في كل موقع.
وهذا مفيد بشكل خاص للحمامات الكيميائية حيث ينبغي تجنب درجة الحرارة المحلية المفرطة.
يتطلب بناء PTFE تحميلًا حراريًا متحكمًا فيه
تُستخدم ألواح التسخين PTFE بشكل شائع في البيئات المسببة للتآكل لأن PTFE يوفر مقاومة كيميائية قوية وعزلًا كهربائيًا.
ومع ذلك، فإن PTFE لديه موصلية حرارية منخفضة نسبيًا.
يجب أن تمر الحرارة الناتجة عن دائرة المقاومة عبر هيكل PTFE قبل الوصول إلى السائل.
عندما يصبح التدفق الحراري مفرطًا، يمكن أن ترتفع درجة الحرارة الداخلية بشكل ملحوظ فوق درجة حرارة الحمام السائب.
يمكن أن تساعد زيادة المنطقة النشطة في الحفاظ على اختلاف أقل في درجة الحرارة في ظل ظروف التشغيل المماثلة.
المساحة الأكبر لا تؤدي دائمًا إلى تحسين الحمام
يمكن أن تصبح لوحة التسخين كبيرة جدًا بالنسبة للخزان الخاص بها.
إذا امتد السطح الإضافي إلى المناطق الراكدة، فقد لا توفر المنطقة النظرية فائدة حرارية متناسبة.
ويختلف معامل نقل الحرارة الفعلي-عبر الخزان.
نموذج بسيط هو:
س=hAΔT
زيادةAيكون مفيدًا فقط عندما يكون السطح الإضافي قادرًا على نقل الحرارة بشكل فعال إلى السائل.
وبالتالي فإن اللوحة الكبيرة التي تم وضعها بشكل سيء قد يكون أداؤها أسوأ من اللوحة الأصغر الموجودة مباشرة في مسار الدوران.
| استراتيجية المنطقة النشطة | التدفق الحراري | أداء تدفق-منخفض | التجارة الرئيسية-متوقفة |
|---|---|---|---|
| منطقة مدمجة | عالي | هامش أقل | بصمة التثبيت الصغيرة |
| منطقة معتدلة | متوازن | جيد | أبعاد متوازنة |
| مساحة كبيرة موزعة | أدنى | هامش حراري أفضل | يتطلب مساحة أكبر |
| منطقة غير نشطة كبيرة الحجم | كبيرة اسميا | فائدة محدودة | سوء استغلال المنطقة |
تصف المقارنة السلوك الحراري العام بدلاً من حدود التصميم العالمية.
حجم الخزان وحده لا يمكنه تحديد المساحة
قد يتطلب خزانان بنفس الحجم مناطق مختلفة من لوحة التسخين.
قد يوفر الخزان الضيق العميق دورانًا رأسيًا جيدًا حول سخان ضيق نسبيًا.
قد يتطلب الخزان الواسع الضحل سطحًا أكبر لتوزيع الحرارة بشكل فعال.
شكل الخزان، وعمق العمل، والتدوير، وفقدان الحرارة، ووقت الاسترداد المطلوب، كلها تؤثر على المنطقة المناسبة.
يمكن أن يؤثر التركيز الكيميائي على انتقال الحرارة
تختلف المحاليل الكيميائية في اللزوجة والكثافة والسعة الحرارية المحددة والتوصيل الحراري.
زيادة التركيز الكيميائي يمكن أن يغير هذه الخصائص.
قد يؤدي المحلول منخفض التدفق ذو اللزوجة العالية إلى إنتاج حمل حراري أضعف حول لوحة التسخين.
ومن ثم، يجب تقييم سطح التسخين باستخدام سائل العملية الفعلي بدلاً من الافتراضات المستندة إلى الماء- فقط.
الودائع يمكن أن تقلل من المساحة الفعالة
كما أن المناطق ذات التدفق المنخفض- تكون أكثر عرضة للرواسب في بعض العمليات الكيميائية.
يمكن لطبقة من المواد المتبلورة أو المتفاعلة أن تضيف مقاومة حرارية.
تصبح منطقة نقل الحرارة الفعالة-أصغر من السطح النظيف الأصلي.
إذا كان التلوث متوقعًا، فيجب دمج هامش حراري كافٍ في تصميم لوحة التسخين.
يمكن للفحص المنتظم تحديد ما إذا كانت الرواسب أصبحت تمثل قيودًا حرارية كبيرة.
زيادة الطاقة ليست دائمًا الحل الأفضل
عندما يسخن الحمام ذو التدفق المنخفض-ببطء شديد، قد يبدو أن زيادة قوة السخان هي الحل الأبسط.
ومع ذلك، فإن الطاقة الأعلى تزيد من تدفق الحرارة إذا ظلت المنطقة النشطة دون تغيير.
يمكن أن يؤدي ذلك إلى رفع درجة حرارة السطح دون تحسين تسخين السائل بشكل متناسب.
إن زيادة المساحة النشطة، أو تحسين الدورة الدموية، أو ضبط توزيع منطقة التسخين-يمكن أن يوفر في بعض الأحيان حلاً أكثر استقرارًا.
ينبغي تقييم المنطقة والتداول معًا
إن سؤال التصميم الأكثر فائدة ليس مجرد الحجم الذي يجب أن تكون عليه لوحة التسخين.
والسؤال ذو الصلة هو ما مدى فعالية السطح الذي يمكن تعريضه لحركة سائلة كافية.
يمكن لسطح أكبر مع دوران مناسب أن يقلل من التحميل الحراري ويحسن توزيع درجة الحرارة.
السطح الكبير في السائل الراكد لا يوفر نفس الفائدة.
تحديد منطقة لوحة التسخين لأنظمة التدفق-المنخفضة
بالنسبة للحمامات الكيميائية ذات التدفق المنخفض-، يُفضل عمومًا توفير منطقة نشطة متوسطة-إلى-كبيرة عندما تسمح مساحة التركيب بذلك، خاصة عندما تكون طاقة التسخين كبيرة.
يجب أن تعتمد المساحة النهائية على القوة الكهربائية المطلوبة، وخصائص السائل، ومعدل الدوران، وهندسة الخزان، ومستوى العمل، ودرجة حرارة التشغيل، ودرجة حرارة السطح المقبولة.
بالنسبة إلى لوحات التسخين المخصصة، يمكن تقييم هذه المعلمات معًا لتحديد المنطقة النشطة التي توفر قدرة تسخين كافية دون تركيز الحمل الحراري الزائد في منطقة تدفق- محدودة محدودة.
