Comment dimensionner un réchauffeur en PTFE pour un réservoir avec un couvercle en plastique flottant pour la suppression des fumées ?

Ce sont de merveilleux moyens de supprimer les fumées et d’économiser de l’énergie. L'ajout d'un couvercle flottant à un réservoir ouvert est une excellente méthode pour réduire les fumées et économiser de l'énergie. Cependant, si vous calculez la puissance d'un nouveau radiateur pour un réservoir couvert, la règle empirique normale des "watts-par-gallon" devient trop conservatrice, vous laissant avec un radiateur volumineux et coûteux. L'ajout d'un couvercle flottant en plastique composé de billes creuses en plastique, d'une feuille de mousse solide ou de tuiles flottantes modifie radicalement le comportement thermique d'un bain liquide ouvert. Le couvercle inhibe l'évaporation, principal mode de perte de chaleur pour la majorité des réservoirs industriels ouverts. Néanmoins, le chauffage doit être dimensionné pour deux circonstances de fonctionnement différentes : le chauffage initial et le maintien en régime permanent. Afin de dimensionner correctement les réchauffeurs en PTFE pour les applications de couvercle flottant de réservoir, il est nécessaire de comprendre l'impact du couvercle sur chaque condition.

Pourquoi les réservoirs ouverts perdent de la chaleur plus rapidement que les réservoirs couverts - The Physics
Les réservoirs exposés perdent de la chaleur via trois mécanismes principaux :

Évaporation : Les molécules s'éloignent de la surface du liquide, emportant la chaleur latente de vaporisation. Il s'agit généralement de la perte la plus importante, en particulier à des températures élevées (par exemple . 60–90 degrés).

Convection : L'air chaud au-dessus du liquide monte, évacuant la chaleur de la surface.

Rayonnement et conduction via les parois du réservoir : La chaleur rayonne depuis la surface du liquide et est conduite à travers les parois et le fond du réservoir.

Une couverture flottante constitue une barrière entre la surface du liquide et l’atmosphère et réduit considérablement les pertes par évaporation. La plupart des couvertures flottantes ont également une certaine valeur isolante, minimisant ainsi les pertes convectives et radiatives de la surface. Selon la conception et l'ajustement du couvercle, la perte de chaleur globale d'un réservoir couvert peut en fait être réduite de 50 à 70 % par rapport à un réservoir ouvert. Cependant, le couvercle ne modifie pas la chaleur nécessaire pour élever la température du liquide en vrac depuis le démarrage à froid jusqu'à la température de fonctionnement.

La couverture n'affecte pas la puissance de chauffage.-Puissance de chauffage
La puissance de chauffage initiale dépend uniquement de :

Masse de liquide (en kg ou lb)

La chaleur spécifique du liquide (pour les solutions à base d'eau, environ 4,18 kJ/kg degré ou 1 BTU/lb degré F)

L'augmentation de température requise (ambiante jusqu'au point de consigne, ΔT)

Le temps de rampe autorisé (heures ou minutes)

Ou, en chiffres pratiques, pour l'eau, environ 2,5 watt-heures par gallon par degré F (0,66 Wh/L· degré ), en négligeant les pertes de chaleur lors du chauffage. Ajoutez les pertes (comme elles devraient toujours l'être) et vous obtenez environ 3-4 W/gal- degrés F pour un réservoir ouvert non isolé. Une couverture flottante ne change rien à ce calcul. En effet, au début de la montée en température, la surface du liquide est froide et les pertes par évaporation sont faibles jusqu'à ce que la température soit proche du point de consigne. Plus important encore, le couvercle ne diminue pas la quantité d’énergie qui doit être injectée dans la masse liquide. La consommation électrique pour chauffer est donc exactement la même que pour un ballon non couvert.

Puissance de maintenance : considérablement réduite
Lorsque le réservoir est à température de fonctionnement, le réchauffeur doit simplement remplacer la chaleur perdue dans l’environnement. Dans un réservoir ouvert, la perte par évaporation prévaut. Une couverture flottante élimine pratiquement les pertes par évaporation (si elle est entièrement scellée) et diminue les pertes de surface convectives et radiatives. Le reste des pertes est supporté par :

Parois et fond de cuve (conduction)

Le couvercle flottant lui-même (conduction à travers le plastique)

Tout espace entre le couvercle et les parois du réservoir

En pratique, la puissance d'entretien d'un réservoir couvert peut être estimée entre 30 et 50 % de la valeur d'entretien d'un réservoir ouvert. Par exemple, un bain de décapage ou de nettoyage à base d'eau courant à 60-70 degrés nécessiterait un maintien en réservoir ouvert de peut-être 20-30 W/pi^2 de surface liquide, plus les pertes dans les parois. Avec un couvercle à bille flottant en plastique, les pertes de surface sont réduites à 5-10 W/pi2. Une feuille de mousse flottante solide peut être encore plus basse.

Comment dimensionner un réchauffeur PTFE pour un réservoir couvert
La méthodologie de bon dimensionnement repose sur 2 calculs et le plus grand des 2 est utilisé pour calculer les watts installés.

Étape 1 : Calculer la puissance de chauffage- (doit être effectué, couvrir ou pas)
Calculer le volume de liquide en gallons ou en litres

Multipliez par la densité pour obtenir la masse.

Sélectionnez un temps de rampe réaliste (généralement 2 à 4 heures pour la majorité des réservoirs industriels).

Déterminez la puissance nécessaire pour chauffer le liquide de la température ambiante (par exemple . 20 degré) au point de consigne (par exemple . 70 degré) pendant cette période, en utilisant la chaleur spécifique du liquide.

Ajoutez un pourcentage pour les pertes lors de la chauffe-(environ 10-20 % pour un réservoir couvert pendant la chauffe, car la surface perd encore un peu de chaleur à mesure que la température augmente).

Un réservoir d'eau de 500 gallons (≈ 4 000 lb) doit être chauffé de 20 degrés à 70 degrés (ΔT=50 degré=90 degré F) en 3 heures. En théorie, l'énergie est de 4 000 lb × 90 degrés F × 1 BTU/lb· degré F=360 000 BTU. 360 000 BTU ÷ 3 412 BTU/kWh=105.5 kWh, ou converti en kW. Puissance moyenne=35.2 kW sur 3+ heures. Ajoutez 15 % de pertes et vous obtenez environ 40 kW de puissance de chauffage.

Étape 2 : Calculer la puissance de maintenance (moins la couverture)
Estimez la perte de chaleur totale du réservoir couvert au point de consigne. Cela comprend :

Perte de surface de la couverture flottante (utiliser les données du fabricant ou les estimations techniques : ~5 à 10 W/pi^2 pour les billes en plastique, ~3 à 6 W/pi^2 pour une feuille de mousse solide à une différence de température de l'air de 20 degrés-liquide)

Pertes aux parois et au fond (indépendantes de la couverture, généralement 5 à 15 W/pi² de surface extérieure du réservoir)

Additionnez ces pertes pour obtenir les watts de maintien en régime permanent.

Par exemple, un réservoir de 500 gallons a une surface liquide de 20 pi². Billes flottantes en plastique, perte de surface=8 W/pi 2=160 W. Surface du mur (sans compter le dessus)=80 pi 2 Perte de mur=10 W/pi 2=800 W Total d'entretien=960 W (≈1 kW). Même avec un facteur de sécurité conservateur de 2, la maintenance ne représente que 2 kW.

Étape 3 : Comparaison et sélection de la puissance installée
La puissance de chauffage-(40 kW) est nettement supérieure à la puissance de maintenance (1-2 kW). La puissance installée du chauffage PTFE doit être d'au moins 40 kW pour le temps de chauffage requis. La couverture ne diminue en rien cette exigence. Cependant, une fois que le réservoir est à température, le chauffage s'éteint ou fonctionne à un cycle de service très faible, ne consommant que les 1 à 2 kW nécessaires pour compenser les pertes. Il s'agit d'une réduction d'énergie considérable par rapport à un réservoir ouvert qui peut nécessiter 4 à 6 kW pour l'entretien.

L'ajout d'un couvercle fait du réservoir un meilleur système-à l'état stable, mais cela ne modifie pas la thermodynamique de son chauffage à froid. Un dimensionnement basé uniquement sur la puissance de maintenance fournirait un chauffage capable de maintenir la température, mais prendrait un temps déraisonnablement long (plusieurs heures ou jours) pour atteindre le point de consigne à partir d'un démarrage à froid.

Conseils pratiques sur le dimensionnement des réchauffeurs en PTFE
Application de couvercle flottant de réservoir de taille de réchauffeur en PTFE : Les actions suivantes sont recommandées :

Calculez toujours d'abord la puissance de chauffage-en utilisant le volume du réservoir, le temps de rampe requis et la chaleur spécifique du liquide. Cela influencera presque toujours la puissance totale installée.

Estimez les coûts de fonctionnement et en calculant la puissance de maintenance avec le couvercle fermé, assurez-vous que la puissance contrôlable la plus basse du chauffage (si vous utilisez un contrôleur de puissance) peut être suffisamment abaissée pour éviter un dépassement de température.

Ne réduisez pas la puissance calorifique à cause du couvercle. Cela signifie une montée en température lente-, un démarrage tardif de la production et des clients mécontents.

Utilisez plusieurs petits radiateurs plutôt qu'un grand radiateur. Meilleure uniformité et redondance de la température. Cela est particulièrement vrai dans les réservoirs dotés de couvercles, car le couvercle peut gêner les courants de convection naturels.

Le chauffage en PTFE doit être situé sous le couvercle flottant, généralement au fond du réservoir pour une bonne circulation. Ne laissez pas le couvercle toucher le radiateur.

Considérations spéciales : Cyclisme et sélection du thermostat
La capacité de chauffage installée est de 40 kW et la charge de maintenance peut être aussi faible que 1 à 2 kW. Par conséquent, un thermostat marche-arrêt normal avec un différentiel important peut générer des variations de température trop élevées (dépassement et sous-dépassement). Un contrôleur PID est recommandé ou un régulateur de puissance proportionnel (SCR). Ces appareils réduisent la puissance à mesure que le point de consigne est atteint, de sorte que le gros élément de 40 kW ne verse pas toute la chaleur dans un réservoir qui n'a besoin que de 2 kW d'énergie de remplacement.

Résumé
L’utilisation d’un couvercle flottant en plastique constitue une stratégie efficace d’économie d’énergie pour les réservoirs ouverts, car elle réduit les pertes de chaleur par évaporation et la formation de fumées. Concernant le dimensionnement du radiateur, le couvercle réduit considérablement le besoin en énergie de maintenance, mais il ne réduit pas les besoins en énergie de chauffage-. La puissance du réchauffeur PTFE installé doit toujours être basée sur l'énergie nécessaire pour chauffer tout le volume de liquide de la température ambiante à la température de fonctionnement dans une période acceptable. Le principal avantage se situe après le chauffage-, lorsque le chauffage revient à une fraction de sa capacité installée, ce qui réduit considérablement les dépenses d'exploitation. Des mesures d'économie d'énergie doivent être intégrées au processus de dimensionnement, non pas en réduisant la taille du radiateur installé, mais en choisissant les systèmes de contrôle appropriés qui tirent parti de la faible demande en régime permanent-. Un réservoir de taille appropriée chauffera rapidement lorsqu'il est sollicité et fonctionnera efficacement sous le couvercle, offrant ainsi productivité et économies d'énergie.