Sebuah pabrik kimia kehilangan pemanas celup PTFE 6 kW ketika impeler pompa resirkulasi terkikis dan aliran turun sekitar 60%. Temperatur fluida curah tetap dalam 3 derajat setpoint. Pengontrol tidak melihat ada masalah. Namun suhu permukaan pemanas telah naik melewati titik di mana cairan di permukaan mulai menguap. Selimut uap terbentuk, perpindahan panas terhenti, dan PTFE melepuh dan retak dalam beberapa jam.
Selimut uap adalah mode kegagalan paling mendadak untuk pemanas imersi PTFE. Tidak seperti perembesan atau kelelahan, yang berkembang selama berbulan-bulan, selimut dapat merusak pemanas dalam satu shift. Pemicunya hampir selalu berupa penurunan kecepatan aliran pada permukaan pemanas-kondisi yang menentukan apakah panas dapat meninggalkan pemanas dengan cukup cepat agar tetap berada di bawah titik didih cairan.
Mengapa Terjadi Selimut Uap Sebelum Perebusan Massal
Pendidihan massal terjadi ketika seluruh cairan mencapai titik didihnya. Selimut uap terjadi pada permukaan pemanas sementara sebagian besar cairan tetap berada jauh di bawah titik didih. Mekanismenya sederhana: suhu permukaan pemanas selalu lebih tinggi daripada suhu fluida curah. Jika perbedaannya cukup besar, maka fluida yang bersentuhan dengan pemanas mencapai titik didihnya meskipun fluida di sekitarnya tidak.
Untuk air pada suhu 80 derajat, titik didihnya adalah 100 derajat pada tekanan atmosfer. Pemanas yang beroperasi 25 derajat di atas suhu curah berada pada suhu 105 derajat -di atas titik didih lokal. Gelembung uap terbentuk di permukaan pemanas. Jika aliran mencukupi, gelembung-gelembung akan terlepas dan pecah dalam cairan curah yang lebih dingin. Jika alirannya lemah, gelembung-gelembung itu menyatu menjadi selimut uap yang mengisolasi pemanas.
Begitu selimut terbentuk, perpindahan panas terhenti. Suhu permukaan pemanas melonjak, seringkali dalam hitungan detik, hingga mencapai kisaran degradasi PTFE. Polimer melunak, melepuh, dan retak. Kegagalan ini tidak dapat diubah.
| Kecepatan Aliran di Pemanas | Pemanas ΔT pada 1,2 W/cm² | Suhu Pemanas pada 80 derajat Massal | Risiko Selimut Uap | Kecepatan Aman Minimum |
|---|---|---|---|---|
| >0.5 m/s | 6–10 derajat | 86–90 derajat | Tidak ada | - |
| 0.3–0.5 m/s | 10–15 derajat | 90–95 derajat | Rendah | Memadai |
| 0.15–0.3 m/s | 15–22 derajat | 95–102 derajat | Sedang | Marjinal |
| 0.05–0.15 m/s | 22–35 derajat | 102–115 derajat | Tinggi | Di bawah minimum |
| <0.05 m/s | 35–50 derajat | 115–130 derajat | Sangat tinggi | Tidak aman |
Kecepatan aliran dan risiko selimut uap untuk pemanas perendaman PTFE dalam penangas air pada suhu 80 derajat
Ambang Batas Kecepatan Minimum
Kecepatan aliran minimum yang diperlukan untuk mencegah selimut uap bergantung pada fluida, kepadatan watt, dan suhu curah. Untuk pemandian berbahan dasar air pada suhu 60–80 derajat dan kepadatan watt 1,0–1,5 W/cm², kecepatan permukaan pemanas minimal 0,15 m/s umumnya cukup untuk melepaskan gelembung uap sebelum menyatu.
Di bawah 0,15 m/s, margin menyempit dengan cepat. Pada kecepatan 0,1 m/s, celah pemanas-hingga-bulk dapat melebihi 25 derajat , mendorong suhu permukaan pemanas melewati titik didih lokal dalam bak di atas 70 derajat . Pada kecepatan 0,05 m/s-secara efektif stagnan-celahnya bisa melebihi 40 derajat , dan selubung uap dimulai pada suhu di atas 60 derajat .
Untuk fluida kental, kecepatan minimumnya lebih tinggi. Fluida dengan viskositas tiga kali lipat air memerlukan kecepatan kira-kira 1,5 kali lipat untuk mencapai ketebalan lapisan batas yang sama. Untuk nikel sulfamat pada suhu 55 derajat , kecepatan minimum untuk pengoperasian yang aman pada 1,2 W/cm² adalah sekitar 0,25 m/s.
| Jenis Cairan | Viskositas pada Suhu Operasional | Kecepatan Minimum pada 1,0 W/cm² | Kecepatan Minimum pada 1,5 W/cm² |
|---|---|---|---|
| Air | 0,5 mPa·s | 0.10 m/s | 0.15 m/s |
| Asam encer | 0,7 mPa·s | 0.12 m/s | 0.18 m/s |
| watt nikel | 2,0 mPa·s | 0.18 m/s | 0.28 m/s |
| Nikel sulfat | 3,5 mPa·s | 0.22 m/s | 0.35 m/s |
| Nikel tanpa listrik | 4,5 mPa·s | 0.25 m/s | 0.40 m/s |
Kecepatan aliran minimum untuk mencegah selimut uap pada instalasi pemanas imersi PTFE
Mengapa Tangki-Pengukuran Aliran Ketinggian Menyesatkan
Kecepatan aliran di permukaan pemanas hampir selalu lebih rendah daripada kecepatan-rata-rata tangki. Pipa sparge dan eduktor diposisikan untuk memindahkan fluida di sekitar benda kerja, bukan di sekitar pemanas. Pemanas sering kali diletakkan di sudut, di belakang pemandu rak, atau di dinding di seberang saluran masuk yang kecepatan lokalnya hanya sebagian kecil dari rata-rata curah.
Pengukuran lapangan di tangki pelapisan secara konsisten menunjukkan-kecepatan tingkat pemanas 30–70% di bawah rata-rata tangki. Di zona mati, pengurangannya bisa mencapai 80–90%. Sebuah tangki dengan kecepatan nominal 0,3 m/s mungkin hanya memiliki 0,05–0,1 m/s pada permukaan pemanas.
Inilah sebabnya mengapa pengukuran aliran level tangki tidak dapat digunakan untuk memverifikasi pengoperasian pemanas yang aman. Pengukuran harus dilakukan di lokasi pemanas, atau pemanas harus ditempatkan di zona aliran-tinggi yang diketahui dengan margin yang memadai.
Tindakan Praktis untuk Menjaga Kecepatan Aman
Posisikan pemanas di jalur aliran utama. Kecepatan tertinggi dan aliran paling seragam terjadi di bagian tengah tangki atau langsung sejajar dengan saluran masuk sirkulasi. Hindari sudut, di belakang sekat, dan dekat bendungan pelimpah.
Gunakan pipa eduktor atau pipa sparge khusus yang diarahkan ke pemanas. Nosel eduktor kecil yang ditempatkan 150–250 mm dari pemanas dan diarahkan sepanjang permukaan pemanas meningkatkan kecepatan lokal menjadi 0,3–0,5 m/s. Ini adalah metode yang paling dapat diandalkan untuk menjaga kecepatan aman pada pemanas.
Pasang sakelar aliran atau sensor diferensial tekanan untuk mendeteksi hilangnya sirkulasi. Sakelar aliran di saluran pembuangan pompa memutus aliran listrik ke pemanas jika aliran turun di bawah ambang batas aman. Sakelar harus independen dari sistem kontrol utama dan memerlukan pengaturan ulang manual.
Kurangi kepadatan watt di-zona aliran rendah. Jika pemanas harus beroperasi di lokasi di mana aliran tidak dapat dipertahankan di atas 0,15 m/s, kerapatan watt harus dikurangi untuk menjaga suhu permukaan pemanas di bawah titik didih lokal. Di zona stagnan, kepadatan watt yang aman adalah 0,6–0,8 W/cm².
Ketika Pemanas Standar Tidak Dapat Mempertahankan Kecepatan Aman
Tangki dengan perlengkapan internal yang rumit dan sirkulasi terbatas seringkali tidak dapat memberikan kecepatan aliran yang dibutuhkan oleh pengoperasian pemanas yang aman. Pemanas yang beroperasi dengan baik dalam volume tangki utama mungkin kekurangan aliran di sudut atau di belakang perlengkapan.
Konfigurasi pemanas imersi PTFE khusus dengan posisi-aliran yang dioptimalkan, eduktor khusus, dan kepadatan watt yang lebih rendah mengatasi akar penyebab kekurangan aliran. Proses spesifikasi memerlukan dimensi tangki, tata letak sirkulasi, posisi pemanas, bahan kimia bak mandi, dan watt yang dibutuhkan. Untuk fasilitas dengan banyak tangki, pendekatan khusus aplikasi ini-mengurangi risiko selimut uap dan memperpanjang masa pakai pemanas.
