¿Cómo dimensionar un calentador de PTFE para un tanque con un agitador de hélice montado-en un lateral?

Un agitador de hélice montado-en el lateral crea una fuerte corriente horizontal de líquido, que fluye alrededor del tanque como un río. Un calentador de inmersión de PTFE sumergido en este movimiento fluido puede disipar el calor de manera mucho más efectiva que uno que funcione en un tanque inactivo. Pero el calentador debe colocarse correctamente en ese flujo circulante, en el flujo rápido que entra justo antes de que la hélice tire el líquido hacia adentro.

En la dificultad de ingeniería de dimensionar los sistemas agitadores de hélice del lado del calentador de PTFE, el agitador es más que un dispositivo de mezcla. Participa activamente en el mecanismo de enfriamiento del calentador. El agitador y el calentador están integrados adecuadamente para ofrecer un rendimiento térmico dramáticamente mejorado y al mismo tiempo mantener seguras las temperaturas de la funda de PTFE.

Por qué la agitación afecta el tamaño del calentador
El calentador de inmersión de PTFE transmite energía al líquido por convección en la superficie de la funda.

En una piscina inmóvil:

El principal modo de transporte de calor es por convección natural.

Un líquido tibio rezumaba lentamente de la funda.

Se reemplaza lentamente por líquido más frío.

El enfriamiento de la superficie aún es limitado

Los calentadores de PTFE deben funcionar con densidades de vatios conservadoras en estas condiciones para evitar que la funda exceda su límite de temperatura práctico de aproximadamente 110 grados en servicio de inmersión.

Una hélice colocada en el lateral influye significativamente en esta imagen térmica.

La convección forzada mejora la transferencia de calor.
La hélice mueve activamente líquido a través de la superficie del calentador y, por lo tanto, produce convección forzada.

Mayor velocidad del fluido
Velocidad creciente del líquido:

Las capas límite son más delgadas

El calor se disipa más rápidamente.

Refrigeración de superficie mejorada

Riesgo reducido de sobrecalentamiento local

El coeficiente de transferencia de calor aumenta significativamente cuando se fuerza el flujo.

Número de Reynolds para rendimiento térmico
El coeficiente de transferencia de calor para la convección forzada se ve significativamente afectado por el número de Reynolds.

El número de Reynolds crece con:

Mayores velocidades de fluido

Tamaños característicos más grandes

Fluido de menor viscosidad

Aumentar la velocidad del agitador aumenta la agitación del fluido que rodea el calentador, aumentando así la turbulencia y la mezcla y mejorando la evacuación de calor de la funda de PTFE.

Esta capacidad de enfriamiento mejorada permite una mayor carga del calentador sin violar las limitaciones de temperatura segura de la funda.

Mayor capacidad de densidad de vatios
Una de las principales ventajas de los agitadores de montaje lateral-es la posibilidad de mejorar la densidad de vatios del calentador.

Mayor densidad de vatios típica
La agitación forzada a menudo puede permitir, en comparación con las condiciones de convección natural:

Densidad de vatios permitida entre un 20% y un 50% mayor

El aumento preciso depende de

Propiedades de los fluidos

Velocidad de la corriente

Geometría de los tanques

Ubicación del calentador

Diseño de agitador

Esta mayor carga permitida puede disminuir:

Tamaño del calentador

Número de elementos necesarios

Huella de instalación

Complejidad eléctrica.

Deje que el presente realice la tarea de enfriar la funda.

La importancia de la ubicación de su calentador
La regla más importante en un sistema agitador de hélice lateral de tamaño de calentador de PTFE es la ubicación correcta.

La calidad de la refrigeración es diferente en todas las secciones del flujo dentro del tanque.

Mejor posición: frente a la entrada de la hélice
¿Cuál es el mejor lugar para un calentador?

En la pared del tanque

Justo encima de la entrada de utilería

En la región de flujo entrante más fuerte

Esta área generalmente cubre:

Velocidad constante del fluido.

Enfriamiento uniforme.

Movimiento direccional consistente

Máxima eficiencia convectiva

El flujo entrante barre constantemente el líquido más frío a través de la superficie de calentamiento antes de ingresar a las paletas del agitador.

Esto conduce a un enfriamiento de la vaina altamente eficiente y predecible.

La zona de descarga: por qué debería mantenerse alejado de ella
La región de descarga de la hélice puede parecer activa, pero suele ser un mal lugar para ubicar un calentador.

Desafíos en la corriente de descarga
La zona de descarga suele estar formada por:

Remolinos turbulentos y

Recirculación giratoria

Fluctuaciones en la velocidad

Vibraciones mecánicas

Estas condiciones de flujo inestable pueden causar:

Calentamiento no-uniforme de la funda

Puntos de acceso locales

Cargas hidrodinámicas en oscilación.

Fatiga por vibración

La tensión mecánica repetida sobre los calentadores de PTFE directamente en la corriente de descarga puede reducir la vida útil.

Estimación de la velocidad del flujo
Es necesario estimar la velocidad del líquido en la posición del calentador para poder dimensionar adecuadamente el calentador.

Métodos para la estimación de la velocidad
La velocidad del flujo del agitador se puede determinar a partir de:

Diámetro de la hélice

Velocidad de rotación (rpm)

Paso de hélice

Geometrías del tanque

Evaluación Para ser más precisos puede incluir:

Dinámica de fluidos computacional (CFD)

Sondas de medición de caudal

Prueba de tinte

Curvas de rendimiento del fabricante.

Las estimaciones de velocidad más precisas generan confianza en los cálculos de densidad de vatios permitidos.

Requisitos para soporte mecánico
Un calentador bajo flujo forzado está sujeto a una carga hidrodinámica continua.

Fortalecimiento de estructuras
La estructura de soporte deberá diseñarse para resistir:

Fuerza de arrastre constante.

Vibraciones inducidas por el flujo-

Estrés mecánico (cíclico)

Carga de par-

Las acciones de apoyo comunes incluyen:

Soportes de montaje reforzados

llaves cruzadas-

Espaciadores resistentes a las vibraciones

Anclajes rígidos laterales del tanque

La vibración prolongada en condiciones de soporte insuficientes puede provocar:

Grietas por fatiga

Aflojamiento del montaje

Mal funcionamiento eléctrico

Daño a la cubierta de PTFE

Recuento de propiedades del fluido
La eficacia de la convección forzada depende en gran medida del propio fluido del proceso.

Fluidos de baja viscosidad
Líquidos diluidos como:

Agua.

Ácidos diluidos

Soluciones para emplatar

Responden bien a la agitación y generan un enfriamiento convectivo considerable.

Fluidos de alta viscosidad
Las soluciones más viscosas dan como resultado:

Números bajos de Re

Menos golpes

Capas límite térmicas más gruesas

En ciertos sistemas, la ventaja de la agitación puede verse disminuida y puede ser necesaria una selección de densidad de vatios más conservadora.

Algunas otras consideraciones de diseño
También hay algunos aspectos adicionales que se deben considerar al dimensionar el calentador.

Evitación del área de cavitación
El calentador no debe colocarse en las zonas de cavitación de baja presión formadas por la hélice.

Mantener la profundidad de inmersión
• Mantenga una cobertura líquida adecuada durante la agitación y los ajustes de nivel del proceso.

Ubicación del sensor de temperatura
Los termopares de control deben colocarse en regiones representativas de flujo mixto y no en contacto directo con el calentador.

Ventajas prácticas de los sistemas de calentadores agitados
El rendimiento de todo el sistema térmico se puede mejorar enormemente con la integración adecuada de un agitador de montaje lateral-.

Los beneficios incluyen:

Tiempos de calentamiento más rápidos

temperatura uniforme en el tanque

Huella de calentador más pequeña

Mejor eficiencia energética

Temperatura más baja de la funda.

Mayor vida útil a los calentadores

En consecuencia, la mezcla controlada con calentamiento efectivo frecuentemente proporciona un ambiente de proceso más estable en el agregado.

Abstracto
Un agitador de hélice-montado lateralmente puede proporcionar un beneficio térmico significativo en los sistemas de calentadores de inmersión de PTFE al mejorar en gran medida la convección forzada alrededor de la funda del calentador. La mayor velocidad del líquido aumenta el coeficiente de transferencia de calor y permite densidades de vatios mucho más altas que las que serían seguras en un tanque con convección natural.

El secreto del éxito es una buena ubicación. Colocar el calentador aguas arriba de la entrada del agitador significa que la funda se encuentra en un flujo entrante fuerte y constante, lo que ofrece un enfriamiento efectivo y uniforme. Por el contrario, la ubicación en la corriente de descarga turbulenta podría producir problemas de vibración, enfriamiento inestable y fatiga mecánica.

Al proporcionar una estimación precisa del flujo, un soporte mecánico resistente y una integración cuidadosa entre el mezclador y el calentador, el sistema puede funcionar de una manera más compacta y eficiente, manteniendo al mismo tiempo temperaturas operativas seguras de PTFE.

El calentador y el agitador no deben ser componentes que compitan por el espacio en un buen diseño de tanque de proceso. Los mejores sistemas térmicos son aquellos en los que la mezcla y el calentamiento se conciben como una unidad cooperativa.