مقالات تکنولوژی و تجهیزات ابکاری

BY TOM RICHARDS.

نویسنده: تام ریچاردز

The immersion heater represents a sound, economical method of heating process solutions in the finishing industry.

هیتر غوطه‌وری یک روش صحیح و مقرون‌به‌صرفه برای گرمایش محلول‌های فرایند در صنعت آبکاری به شمار می‌رود.

Classical heater installations consisted of a hanging a steam coil in one tank wall, sized to heat up water to a "rule-of-thumb" temperature in two hours. While This method has proved to be adequate in providing heat and covering a multitude of oversights, it has also proved to be unsatisfactory with regard to energy costs and control. As the cost of energy rose, the finisher increased heat-up times in an effort to conserve energy. Soon, heat losses prevented achieving desired temperature levels, thus adding tank insulation, covers, and other methods of loss conservation. Again, the appropriate solutions to most of the challenges were found, but the hanging steam coil remained unchanged. Today, we have the knowledge that it allows us to adequately plan, design, install, and operate economical, efficient heating systems.

تاسیسات هیترهای قدیمی شامل یک کویل بخار معلق است که برروی دیواره مخزن قرار گرفته است که برای گرم‌کردن آب تا دمای تجربی در مدت زمان دو ساعت تعیین سایز شده است. درحالی که اثبات شده که از لحاظ تولید حرارت و پیشگیری از حوادث مختلف، این روش مناسب است ولی همچنین اثبات شده که از لحاظ هزینه‌های انرژی و روش‌های کنترلی، رضایت‌بخش نبوده است. همزمان با افزایش هزینه‌های انرژی، تکنسین آبکاری از طریق افزایش زمان گرمایش، به ذخیره انرژی مبادرت می‌ورزد. طولی نمی‌کشد که تلفات حرارتی مانع از رسیدن به دمای مطلوب می‌شود، بنابراین افزودن عایق مخزن، سرپوش‌ها و سایر روش‌ها از تلفات جلوگیری می‌کند. همچنین راه‌حل‌های مناسب برای بیشتر چالش‌ها پیدا شد، اما کویل بخار معلق هیچ تغییری نکرده است. امروزه ما این دانش را داریم که به ما اجازه می‌دهد تا به خوبی سیستم‌های گرمایشی موثر و کارآمد را برنامه‌ریزی، طراحی، نصب و راه‌اندازی کنیم.

Molecular activity, chemical solubility, and surface activity are enhanced through temperature elevation. The reduced solution surface tension, low vapor pressure of some organic additive agents, and heat-sensitive decomposition or crystallization of other additives are major considerations that modify the benefits gained as solution temperature rises. To achieve a proper balance of all these factors, while providing economical installation and operation, it is necessary to analyze the individual heating requirements of each process. Your best source of process information is your chemical supplier, which can tell you:

با افزایش دما، فعالیت مولکولی، حلالیت شیمیایی و فعالیت سطحی افزایش می‌یابد. کاهش کشش سطحی، فشار بخار پایین برخی از مواد افزودنی آلی و تجزیه حساس به گرما و یا رشد کریستال در مواد افزودنی دیگر، ملاحظات عمده‌ای است که مزایای حاصله از افزایش دمای محلول را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به منظور دستیابی به تعادل مناسب در تمامی این فاکتورها، نیاز است که نیازمندی‌های گرمایش مخصوص هر فرآیند را تحلیل کنیم مشروط بر اینکه نصب و بهره‌برداری، صرفه اقتصادی داشته باشد. بهترین منبع پردازش اطلاعات، تامین‌کننده مواد شیمیایی است که می‌تواند موارد زیر را به شما بیان کند:

1. Recommended materials of construction.

2. Maximum (minimum) solution temperature.

3. Maximum heater surface temperature.

4. Specific heat of the process solution.

5. Specific gravity of the process solution.

6. Recommended heel (sludge) allowance.

1. مواد توصیه شده در تولید.

2. حداکثر (حداقل) دمای محلول.

3. حداکثر دمای سطح هیتر.

4. حرارت ویژه محلول فرآیند.

5. وزن مخصوص محلول فرآیند.

6. اضافات (لجن) کف توصیه شده.

To the size of the heater, first determine the tank size: space required for the part, parts rack or barrel, space required for busing (anodes), in-tank pumps and filtration, sumps, overflows dams, level controls, air or solution agitation pipes, and any other accessories. From this data, a tank size and configuration can be set.

برای تعیین اندازه هیتر، ابتدا باید اندازه مخزن را تعیین کنید: فضای موردنیاز برای قطعه، قفسه یا بشکه قطعات، فضای موردنیاز برای رفت و آمد (آندها)، پمپ‌های موجود در مخزن و فیلتراسیون، تقسیم مخازن به بخش‌های مختلف، موانع پیشگیری از سرریزشدن، کنترلر‌های سطح، لوله‌های اختلاط محلول یا هوا و لوازم جانبی دیگر. با استفاده از این اطلاعات، اندازه و موقعیت مخزن را می‌توان تعیین نمود.

Calculate the weight of the solution to be heated. For rectangular tanks:

Weight - L x W x D x S.G. x 62.4 Ib/ft3

Where L, VI, and D, are length, width, and

Depth in feet (substitute 0.036 Iblin.3 for dimensions in inches). S.G. is the specific gravity of the solution (water is 1.0).

از طریق محاسبات زیر وزن محلولی که باید گرم شود حاصل می‌گردد. برای مخازن مستطیل:

L × W × D × S.G. × 62.4 lb/ft3 = وزن

L، W و D عبارتند از طول، عرض و ارتفاع به فوت، (برای تبدیل به اینچ این اعداد را در lb/in3 0.036 ضرب کنید). وزن مخصوص این محلول S.G. است (آب 1.0).

For cylindrical tanks:

Weight - R2D x S.G. x 62.4 Ib/ft3

Where R is the radius of the tank.

برای مخازن استوانه‌ای:

R2D x S.G. x 62.4 Ib/ft3 = وزن

R شعاع مخزن است.

Calculate the temperature rise required by subtracting the average (or lowest) ambient temperature from the desired operating temperature (if the shop temperature is kept very cool during winter months, it might be wise to use this temperature as the average ambient temperature).

محاسبه افزایش دمای موردنیاز با تفریق میانگین (یا کمترین) دمای محیط از دمای کاری مطلوب به دست می‌آید. (در صورتی که درجه حرارت کارگاه در ماه‌های زمستان بسیار کم باشد، شاید بهتر باشد که از این دما به عنوان دمای میانگین محیط استفاده شود).

Temperature rise = Toperating minus - Tambient

(To- Ta - Trise)

T=افزایش دما

T-حداقل دمای‌کاری

T   محیط

(T=افزایش T0 - T a)

Determine an adequate heat-up time to suit your production requirements. The traditional 2-hour heat-up may prove costly and unnecessary since using this value usually provides a heater more than twice the size necessary for heat maintenance. A 4- to 6-hour heat-up more closely approximates the heat maintenance value but may impose production constraints deemed impractical. Long heat-uptimes can be overcome through the use of 24-hr timers; however, unattended heat-starts ‎carry the responsibility of tank liquid level ‎monitoring and approved over temperature safety shutoffs.

زمان مناسب برای گرمایش با توجه به نیاز تولید تعیین می‌شود. گرمایش اولیه 2 ساعته به روش سنتی شاید پرهزینه و غیرضروری باشد زیرا تامین حرارت در این مدت زمان کم معمولا نیاز به هیتر دو برابر بزرگتر از اندازه لازم، برای سیستم گرمایش یا حتی هیترهای بزرگتر دارد. گرمایش اولیه به مدت 4 تا 6 ساعت به مقدار گرمای موردنیاز نزدیک است اما ممکن است محدودیت‌های تولید آن را غیرممکن سازد. مشکل گرمایش اولیه طولانی را می‌توان با استفاده از تایمرهای 24 ساعته حل کرد، درحالی‌که شروع گرمایش بدون نظارت انسانی، مسئولیت نظارت بر سطح مایع مخزن را ایجاد می‌کند و نیاز به کنترل‌کننده ایمنی دمای بیش ازحد دارد.

Table I. Heat Losses from Liquid Surfaces

جدول 1. اتلاف حرارت از سطح مایع

Solution Temperature (°F)

Non-ventilated Losses (BTU/hr/ft2/°F)

Ventilated Losses (BTU/hr/ft2/°F)

اتلاف حرارت با تهویه

(BTU/hr/ft2/°F)

اتلاف حرارت بدون تهویه

(BTU/hr/ft2/°F)

دمای محلول

(°F)

100

120

140

160

180

170

340

615

990

1590

290

560

995

1600

2750

290

560

995

1600

2750

170

340

615

990

1590

100

120

140

160

180

With this data, the initial tank heating requirements can be determined. A BTU is the amount of heat required to raise one pound of water one degree Fahrenheit. A BTUH is that amount per hour

با استفاده از این اطلاعات، می‌توان حرارت اولیه مخزن را تعیین نمود. یک BTU مقدار گرمای موردنیاز برای افزایش دمای یک پوند آب به میزان یک درجه فارنهایت است. یک BTUH همین مقدار در هر ساعت است.

Initial BTUH(Q) = Weight x Trise x s.h./Heat-up time

BTUH اولیه(Q) = وزن x Tافزایش x s.h.زمان گرمایش اولیه/

Where s.h. is specific heat. This should be the actual value from the process supplier (water is1.0).

s.h. گرمای ویژه است. که این مقدار باید مقدار واقعی از جانب تامین‌کننده فرایند باشد (آب 1.0 است).

Calculate the approximate heat loss from the tank surface and tank walls. (Use the data shown in Tables I and II.)

اتلاف حرارت تقریبی از سطح و دیواره مخزن را محاسبه کنید. (از اطلاعات موجود در جداول I و II استفاده کنید.)

The losses from the tank surface can represent the most significant loss affecting heater sizing. The addition of even a partial or loose-fitting cover will reduce these losses. The tank surface area is simply the width in feet times the length in feet. You can use inches instead of feet, but then must divide the results by 144 to obtain square feet.

تلفات ناشی از سطح مخزن می‌تواند نشان‌دهنده مهم‌ترین اتلافی باشد که در تعیین اندازه هیتر موثر است. حتی افزودن یک سرپوش جزئی یا غیراصولی این تلفات را کاهش می‌دهد. مساحت سطح این مخزن، عرض ضرب در طول به فوت است. شما می‌توانید از اینچ به جای فوت استفاده کنید، اما باید اعداد را به 144 تقسیم کنید تا فوت مربع حاصل شود.

If you install partial covers, such as removable covers extending from the tank edge to the anode bushing, use the remaining "open" dimensions. The covered area uses the reduced loss values shown in Table III. The use of partial covers reduces exhaust volume requirements and associated energy demands as well.

اگر شما از سرپوش‌های جزئی استفاده می‌کنید مانند سرپوش‌های قابل جابجایی، که از لبه مخزن تا بوشن آنود امتداد یافته است، از باقیمانده ابعاد «فضای باز» برای محاسبه استفاده نمایید. منطقه سرپوشیده از مقادیر اتلاف اندک موجود در جدول III پیروی می‌کند. استفاده از سرپوش‌های جزئی باعث کاهش نیازمندی‌های حجم تهویه و همچنین نیازمندی‌های انرژی مرتبط با آن می‌شود.

Air agitation can be said to primarily affect losses from the tank surface. Breaking bubbles increase the surface area and expose a thin film of solution to accelerate evaporative losses. Air agitation spargers sized at one cfm per foot of length affect a 6 in. (1/2 ft) wide path along their length. Thus, a three foot by four foot tank surface with two lanes of air agitation running on the four foot dimension has:

می‌توان گفت اختلاط هوا، در اغلب موارد بر تلفات ناشی از سطح مخزن تاثیرگذار است. ترکیدن حباب‌ها، مساحت سطح را افزایش می‌دهد و یک لایه نازک از محلول را به‌منظور افزایش سرعت تلفات تبخیری ایجاد می‌کند. حباب‌سازهای اختلاط هوا در یک CFM در هر فوت طولی تعیین اندازه می‌شوند و 6 اینچ (2/2 فوت) را در امتداد طول خود تحت تاثیر قرار می‌دهند. بنابراین سطح یک مخزن سه در چهار فوت، با دو لاین اختلاط هوا در ابعاد چهار فوت دارای:

3x4=12ft2 surface plus 2 x ½ x 4 = 4 ft2 agitation increase, a total 16ft2 effective

3x4=12ft2مجموع مساحت 2x½x4=4 ft2افزایش اختلاط , مجموع16ft2 موثر

Multiply the effective area by the values shown in Table I. Be sure to deduct any cover area (if used) and use the reduced loss values shown in Table III.

سطح موثر را در مقادیر موجود در جدول 1 ضرب کنید. مطمئن شوید که نواحی سرپوشیده (در صورت استفاده) را کسر کنید و از مقادیر کاهش تلفات موجود در جدول III استفاده کنید.

Table II. Heat Losses from Tank Walls and Bottoms

جدول 2. اتلاف حرارت از دیواره و کف مخزن

Solution temperature

(°F)

Metal Tank or Thin Plastic

(BTU/hr/ft2/°F)

Insulated Tank or Heavy Plastic

(BTU/hr/ft2/°F)

مخزن عایق یا پلاستیک سنگین

(BTU/hr/ft2/°F)

مخزن فلزی یا پلاستیک نازک

(BTU/hr/ft2/°F)

دمای محلول

(°F)

100

120

140

160

180

30

90

140

190

240

10

30

45

45

80

10

30

45

45

80

30

90

140

190

240

100

120

140

160

180

The tank wall area equals the tank length in feet, times the depth of solution in feet, times two plus the tank width in feet, times the depth of solution in feet, times two plus the tank length in feet, times the tank width in feet.

L x D x 2 + W x D x 2 + L x W=Wall Area. (You can use inches instead of feet but you must divide the result by 144 to convert in to square feet.) Multiply the tank wall area times the values shown in Table II.

سطح دیواره مخزن برابر است با طول مخزن ضرب در عمق محلول ضرب در 2 به اضافه عرض مخزن ضرب در عمق محلول ضرب در 2 به اضافه طول مخزن ضرب در عرض مخزن به فوت.

L x D x 2 + W x D x 2 + L x W=  سطح دیواره.

(شما می‌توانید از اینچ به جای فوت استفاده کنید اما باید نتایج را به 144 تقسیم کنید تا به فوت مربع تبدیل شود.) سطح دیواره مخزن را به مقادیر موجود در جدول 2 ضرب کنید.

Calculate the heat loss through parts being immersed. Racks per hour, times the weight of the loaded racks, times the specific heat of the parts (use 0.1 for most metals, 0.2 for aluminum), times the temperature rise (use the same value used in calculating the tank temperature rise).

تلفات حرارتی قطعات غوطه‌ورشده به روش زیر محاسبه می‌گردد. تعداد آویزها به ساعت، ضرب در وزن آویزهای بارگیری شده، ضرب در  گرمای ویژه قطعات (از 0.1 برای اکثر فلزات، 0.2 برای آلومینیوم استفاده می‌شود)، ضرب در افزایش دما (از همان مقدار استفاده شده در محاسبه افزایش دمای مخزن استفاده کنید).

Racks/hr x weight/rack x s.h. x Trise

/ تعداد آویزها  ساعتx  وزن/ آویز x s.h. x Tافزایش

Table III. Cover Loss Values (BTU/hr/ft2)

Cover style

Still air

Ventilated (150 fpm)

Loose or partials

Insulated

Floating balls

Metal tank values shown in Table II

Insulated tank values shown in Table II

0.25 times the value obtained from Table I

Twice that for still air

Same as still air

Twice that for still air

جدول 3. مقادیر اتلاف حرارت (BTU/hr/ft2)

هوای تهویه شده

هوای مانده در محیط

نوع سرپوش

دوبرابر هوای مانده در محیط

مشابه هوای مانده در محیط

دوبرابر هوای مانده در محیط

مقادیر مخزن فلزی موجود در جدول 2

مقادیر مخزن عایق موجود در جدول 2

مقادیر حاصله از جدول 1 ضرب در 0.25

شل و جزئی

عایق

گلوله‌های معلق

A plastic or metal plating barrel must be included with the parts weight. A metal barrel has a specific heat value close to the average parts (0.1), and can be included in the parts weight, but a plastic barrel has a specific heat of 0.46 and will require an independent calculation. Weight of barrel, times barrel loads per hour, times the specific heat of the barrel, times the temperature rise

وزن یک بشکه آبکاری پلاستیکی یا فلزی، شامل وزن قطعات می‌شود. یک بشکه فلزی دارای یک مقدار گرمای ویژه نزدیک به قطعات متوسط (0.1) می‌باشد و می‌تواند در وزن قطعات گنجانده شود، اما یک بشکه پلاستیکی میزان گرمای ویژه 0.46 دارد و نیاز به محاسبه مستقل دارد. وزن بشکه، ضرب در دفعات بارگیری بشکه ضرب در ساعت، ضرب در گرمای ویژه بشکه، ضرب در میزان افزایش دما.

barrels/hr x weight/barrel x 0.46 x Trise

تعداد بشکه /ساعت x بشکه/ وزن x 0.46 x Tافزایش

Add to this the parts per barrel

برای محاسبه وزن قطعات بر بشکه

barrels/hr x weight of parts/barrel x s.h, x Trise

تعداد بشکه /ساعت x  بشکه/ وزن قطعات x s.h, x Tافزایش

The heat loading and the actual heat-up time for immersed parts ‎are distinct values. The heated solution can lose temperature to the immersed parts in a ‎matter of seconds. This heat loss is replaced by the heater. To determine the temperature drop of ‎the process solution. Divide the heat loss through parts (barrels) being immersed by the ‎weight, times the specific heat of the solution.

گرمادهی و زمان واقعی گرمایش برای قطعات غوطه‌ور شده، مقادیر مشخصی هستند. محلول گرم می‌تواند درجه حرارت خود را تحت تاثیر قطعات غوطه‌ور شده در عرض چند ثانیه از دست بدهد. این تلفات گرما توسط هیتر جبران می‌شود. برای تعیین میزان افت دما در محلول فرآیند: تلفات حرارتی قطعات (بشکه) غوطه‌وری تقسیم بر وزن ضرب در گرمای ویژه محلول.

Heat loss (parts) / [Weight (solution) x s.h. (solution)] = Temperature drop

(قطعات) اتلاف حرارتی / [وزن (محلول) x s.h. (محلول)] = افت دما

Calculate the heat loss through solution ‎additions such as drag-in and make-up water ‎when working on small process tanks with high ‎operating temperatures. In some operations, it ‎is customary to replenish evaporative losses by ‎rinsing parts over the tank. This practice ‎increases the heat loading. Gallons of water ‎each hour (drag-in or add), times 8.33 (lb/gal), ‎times the temperature rise (water temperature ‎to tank operating temperature).‎

اتلاف حرارتی را با توجه به افزایش محلول مانند بیرون ریختن آب و شارژ مجدد آب، هنگام کار بر روی مخازن فرایند کوچک با دمای کاری بالا محاسبه کنید. در برخی از عملیات‌ها، مرسوم است که تلفات تبخیری از طریق شستشوی قطعات بالای مخزن مجددا شارژ شود. این عادت کاری منجر به افزایش شدت گرمایش می‌شود. تعداد گالن‌ آب در هر ساعت (بیرون ریختن یا افزودن)، ضرب در 8.33 (lb/gal)، ضرب در میزان افزایش دما (دمای آب تا دمای عملیاتی مخزن).

Gallons per hour x 8.33x Trise

گالن در ساعت x  8.33x Tافزایش

Now determine total heating requirement by comparing initial heat-up requirements with the sum of the various losses. Assuming no additions or operating losses during the initial heat-up, we can equate our heater size based on the initial heat-up requirement, plus the tank surface losses, plus the tank wall losses. This value must be compared with the operating requirements-tank surface losses, plus the tank wall losses, plus the rack (barrel) losses, plus the drag-in (make-up) losses. The larger value becomes the design basis for heater sizing.

در حال حاضر گرمایش کل موردنیاز را از طریق گرمایش اولیه موردنیاز با مجموع تلفات مختلف تعیین می‌کنیم. با فرض عدم وجود هیچ‌گونه افزودنی یا تلفات کاری در طول گرمایش اولیه، ما می‌توانیم اندازه هیتر خود را بر اساس گرمایش اولیه موردنیاز، به اضافه تلفات سطح مخزن و همچنین تلفات دیواره مخزن محاسبه کنیم. این مقدار باید با تلفات سطح مخزن کاری، به اضافه تلفات دیواره مخزن، به اضافه تلفات (بشکه) آویز و همچنین بیرون ریختن (شارژ مجدد) مقایسه شود. این مقدار بزرگتر به عنوان پایه طراحی برای تعیین اندازه هیتر تلقی می‌شود.

Heater sizing can proceed based on the heating method employed: Electric immersion heaters are sized based on 3.412 BTUH per watt-hour (3,412 BTUH per kilowatt-hour). Divide the design heating requirement by 3,412 to find kilowatts of electric heat required.

تعیین اندازه هیتر می‌تواند بر اساس روش گرمایش انجام شود: هیترهای غوطه‌وری الکتریکی بر اساس BTUH 3.412 در هر وات ساعت (3.412 BTUH در هر کیلووات ساعت) تعیین اندازه می‌شوند. برای پیدا کردن کیلووات گرمای الکتریکی موردنیاز طرح گرمایش موردنیاز را به 3.412 تقسیم کنید.

Design heating requirements (BTUH) / 3,412

طرح گرمایش موردنیاز  (BTUH) / 3.412

The immersion heater sheath temperature will be higher than the solution temperature. Consult your immersion heater supplier for its recommendations where solutions have high temperature limits. Electric heaters have the potential of achieving sheath temperatures, particularly in air, and are capable of igniting flammable materials; therefore, it is essential that liquid level switches and high sheath temperature cutoffs be employed. Look for (or ask about) Underwriters Laboratory or other independent agency listing labels on electric heaters for assurance that the product meets a recognized standard. Verify and install the sheath ground to minimize personnel shock hazard and as with all heaters, use a quality temperature controller for economical operation.

دمای غلاف هیتر غوطه‌ور شده از دمای محلول بالاتر خواهد بود. برای گرفتن راهنمایی در مورد محلول‌هایی که محدودیت‌های دمایی بالا دارند، با تامین‌کننده هیتر غوطه‌وری خود مشورت کنید. هیترهای الکتریکی پتانسیل دستیابی به درجه حرارت غلاف را مخصوصا در هوا دارند و قادر به احتراق مواد قابل اشتعال هستند. بنابراین به دلیل تغییر در مقادیر مایع، لازم است که دمای بالاتری برای غلاف لحاظ شود. برای اطمینان از اینکه محصول دارای استاندارد مشخصی باشد، برچسب‌های بیمه‌گران آزمایشگاه و یا دیگر آژانس‌های مستقل بر روی هیتر برقی را جستجو کنید (یا درخواست کنید). سیم ارت غلاف و تمام هیترها را به منظور به حداقل رساندن خطر شوک به پرسنل شناسایی کرده و نصب کنید، از یک کنترل‎کننده دمای با کیفیت برای کاهش هزینه‌های عملیاتی استفاده کنید.

Steam immersion heaters are sized based on steam pressure. Overall transfer coefficients area, and log mean temperature difference.

هیترهای غوطه‌وری بخار براساس فشار بخار، مساحت ضرایب انتقال حرارت کل و لگاریتم اختلاف دمای میانگین تعیین اندازه‌ می‌شود.

The overall transfer coefficient is a value determined by several basic values: the ability of the heater material to conduct heat, the ability of the two fluid films that form on the inside and outside of the heater to conduct heat, and the resistance to the flow of heat caused by fouling or buildup. You can significantly alter the performance of immersion heaters by the choice of materials and the supply or the lack of supply of tank agitation. By selecting proper materials the fouling caused by corrosion is either reduced or eliminated. Clean quality steam will reduce internal fouling while properly placed agitation can enhance overall thermal performance. The precise calculation of the overall transfer coefficient is detailed and will not be covered here, but is available from your heater supplier.

ضریب انتقال حرارت کل یک مقدار مشخص است که توسط مقادیر اساسی تعریف می‌شود: توانایی مواد هیتر برای انتقال گرما، توانایی دو لایه سیال که در داخل و خارج هیتر برای انتقال گرما ایجاد می‌شود و مقاومت در برابر جریان گرما ناشی از ریزش و یا تولید لایه است. شما می‌توانید به طور قابل ملاحظه‌ای عملکرد هیترهای غوطه‌وری را با انتخاب مواد و عرضه یا فقدان منبع اختلاط مخزن تغییر دهید. با انتخاب مواد مناسب، ریزش ناشی از خوردگی، کاهش یا حذف می‌شود. بخار با کیفیت خوب، باعث کاهش ریزش داخلی می‌شود در حالی که اختلاط درست می‌تواند عملکرد کلی حرارتی را افزایش دهد. محاسبات دقیق ضریب انتقال حرارت کل به جزئیات بیان شده است و در قالب این مقاله نمی‌گنجد، اما تامین‌کننده هیتر آن را در دسترس قرار می‌دهد.

The following rule-of-thumb values can be used for estimating steam heater size. For metal coils, the range of values for the overall heat transfer coefficient is 100-200 BTU/hr/ft2/°F. For plastic coils, the overall heat transfer coefficient ranges from 20-50. Use 150 for metal and 40 for Teflon.

مقادیر تجربی زیر را می‌توان برای برآورد اندازه هیتر بخار استفاده کرد. برای کویل‌های فلزی، محدوده مقادیر ضریب انتقال حرارت کل  BTU/hr/ft2/°F100-200 می‌باشد. برای کویل‌های پلاستیکی، ضریب انتقال حرارت کل از 20 تا 50 است. برای فلز از عدد 150 و برای تفلون از عدد 40 استفاده کنید.

Now calculate the log mean temperature difference (LMTD) because the driving force for the heat exchange is a varying quantity that is expressed as this value.

به دلیل این که نیروی محرکه برای تبادل حرارت یک مقدار متغیر است، لگاریتم اختلاف میانگین دما (LMTD) به صورت زیر بیان می‌شود:

LMTD=  ΔT1- ΔT2 /(ln ΔT1/ΔT2)

LMTD = ΔT1- ΔT2 /(ln ΔT1/ΔT2)

Steam pressure produces specific temperatures that will be used in the calculation of the LMTD. Typical values are given in Table IV.

فشار بخار باعث ایجاد دمای ویژه‌ای می‌شود که در محاسبه LMTD کاربرد دارد. مقادیر رایج در جدول 4 ارائه شده است.

As an example, assume 10 psig steam is to be used to heat a solution from 6S0F (ambient shop temperature) to 140°F (solution operating temperature).

به عنوان مثال، فرض کنید بخار psi 10 برای گرم کردن محلول از دمای 65 درجه فارنهایت (دما محیط کارگاه) تا 140 درجه فارنهایت (دمای عملیاتی محلول) استفاده شود.

Steam temperature (from Table IV): 240°F

دمای بخار (از جدول 4): °F 240

ΔT1=240- 65=175°F

ΔT2=240- 140=100°F

LMTD = (175-100)/(175/100) = 75/0.55 = 134°F

ΔT1=240- 65=175°F

ΔT2=240- 140=100°F

LMTD = (175-100)/(175/100) = 75/0.55 = 134°F

Table IV. Steam Table

Steam pressure (psig)

Steam temperature (°F)

Heat of evaporation (BTU/lb)

5

226

960

10

240

950

15

250

945

20

260

940

25

266

935

30

274

930

جدول 4. جدول بخار

30

274

930

25

266

935

20

260

940

15

250

945

10

240

950

5

226

960

فشار بخار (psig)

دمای بخار (°F)

دمای تبخیر (BTU/lb)

The heater area required to steam heat a process solution equals the design heating requirement, divided by the overall heat transfer coefficient, times the log mean temperature.

فضای موردنیاز هیتر برای گرمایش توسط بخار یک محلول فرایند، مساوی است با طرح گرمایش موردنیاز تقسیم بر ضریب انتقال حرارت کل، ضرب در لگاریتم دمای میانگین.

Design heating requirement (BTUH)/Overall heating requirement x LMTD

طراحی‌گرمایش‌موردنیاز (BTUH) / نیازمندی‌گرمایش‌کلx LMTD

As with any immersion heater, The heater surface temperature will be higher than the solution temperature. Obviously it cannot exceed the steam temperature. If the solution has a high temperature limit below available steam temperatures. You may require a custom electric immersion heater or a hot water (or thermal fluid) heater with a lower heating temperature.

در تمام هیترهای غوطه‌وری، دمای سطح هیتر بالاتر از دمای محلول است. بدیهی است که نمی‌تواند از دمای بخار فراتر برود. اگر محلول محدوده دمایی بالایی داشته باشد، بازهم زیر دمای بخار موجود است. شما ممکن است یک هیتر الکتریکی غوطه‌وری معمولی یا یک هیتر آب‌گرم (یا مایع حرارتی) با یک دمای گرمایش پایین‌تر داشته باشید.

Although the heater temperature is limited to the steam temperature, damage to process tanks and accessories can result from over temperature or low liquid levels. It is wise to equip your process tank with over temperature and low liquid level cutoffs.

گرچه دمای هیتر به دمای بخار محدود شده است، با دمای بیش‌ازحد یا سطوح مایع کم، به مخازن فرآیند و لوازم جانبی می‌تواند آسیب برسد. عاقلانه است که کنترل‌کننده مخزن فرایند خود را نسبت به درجه حرارت بیش از حد و سطح مایع پایین تجهیز کنید.

Once a coil size is selected, piping size should be investigated. The quantity of steam used for a specific coil size varies with the steam pressure (see Table V) and the heat released is the heat of evaporation (latent heat) only. The values in the table are in BTUs per pound of steam, So the quantity of steam required equals the design heating requirement, divided by the heat of evaporation of the steam

پس از انتخاب اندازه کویل، باید اندازه لوله مورد بررسی قرار گیرد. مقدار بخار مورد استفاده برای اندازه کویل ویژه با فشار بخار تغییر می‌کند (جدول V را ببنید) و گرمای آزاد شده، فقط گرمای تبخیر (گرمای نهان) است. مقادیر موجود در جدول به BTU در هر پوند بخار است بنابراین مقدار بخار مورد نیاز برابر با طرح گرمایش موردنیاز است، تقسیم بر گرمای تبخیر بخار

Design heating requirement (BTUH)/Heat of evaporation (from Table IV)

حرارت تبخیر (از جدول IV) / طرح گرمایش موردنیاز (BTUH)

Table V. Nominal Pipe Size for Various Steam Requirements

جدول 5. اندازه اسمی لوله برای نیازمندی‌های بخار مختلف

Nominal Pipe Size (in.)

Steam Required (lb/hr)

بخاز موردنیاز (lb/hr)

اندازه اسمی لوله (اینچ)

1

1 ½

2

3

Up to 100

100-300

300-500

300-1000

بالای 100

100 – 300

300 – 500

300 – 1000

1

½– 1

2

3

The result, in pounds of steam per hour, can be equated to pipe size as shown in Table V. The condensate generated (condensed steam) must be "trapped," that is, equipped with a steam trap. Steam traps are sized based on pounds per hour times a safety factor. Since the amount of condensate varies with the temperature of the solution, it is wise to use a safety factor of four or better, Trap capacity equals the steam required times four.

نتیجه را می‌توان به پوند بخار در ساعت، با اندازه لوله موجود در همان جدول V نشان داد. میعانات تولید شده (بخار فشرده) باید "به دام افتاده" باشد، یعنی با یک تله بخار مجهز شده است. تله بخار با توجه به پوند در ساعت، ضرب در فاکتور ایمنی تعیین اندازه می‌شود. از آنجا که مقدار میعانات نسبت به دمای محلول متغیر است، بهتر است که از فاکتور ایمنی چهار یا بالاتر استفاده شود، ظرفیت تله بخار مساوی است با بخار مورد نیاز ضرب در چهار.

The condensate piping is smaller than the steam pipes since the condensate is liquid. Some of the condensate will convert back to steam because of condensate temperature and pressure. The use of piping smaller than 1/2 in. nominal is not recommended since scale and buildup inside the pipe is a factor in all steam lines. We recommend using 3/4 in. nominal pipe for condensate lines. This size will handle up to 1,920 Ib/hr with a modest pressure drop.

لوله‌های میعانات از لوله‌های بخار کوچکتر هستند، زیرا که میعانات مایع هستند. برخی از این میعانات دراثر دما و فشار به بخار تبدیل می‌شوند. استفاده از لوله‌های کوچکتر از 2/1 اینچ اسمی توصیه نمی‌شود زیرا که مقیاس و رسوب تشکیل شده داخل لوله یک عامل مهم در تمام خطوط بخار است. توصیه می‌کنیم از لوله‌های 4/3 اینچ اسمی برای خطوط میعانات گازی استفاده کنید. این اندازه تا  lb/hr 1920 با افت فشار متوسط تغییر می‌کند.

Steam coil valve sizing is usually smaller than the pipe size since a pressure drop across the valve is required for proper operation. Some typical sizes for diaphragm solenoid valves are shown in Table VI.

شیرکنترل کویل بخار معمولا کوچکتر از اندازه لوله تعیین اندازه می‌شود زیرا افت فشار در شیرکنترل برای عملکرد خوب یک امر ضروری است. برخی از اندازه‌های معمول برای شیرهای کنترل مارپیچی دیافراگمی در جدول VI نشان داده شده است.

Table VI. Recommended Valve Sizes

جدول 6. اندازه‌های شیرکنترل توصیه شده

CV Factor

Diaphragm Valve Pipe Size (in.)

Steam Required )lb/hr(

بخار موردنیاز (hr/lb)

اندازه لوله شیر کنترل دیافراگمی (اینچ)

عامل CV

4

5

13.5

15

22.5

½

¾

1

1- ¼

1- ½

120

150

400

450

675

120

150

400

450

675

½

¾

1

¼ - 1

½ - 1

4

5

13.5

15

22.5

Since the performance of the valve and trap can be affected by foreign matter in the steam, it is wise to place a 1000 mesh strainer of the same pipe size as the steam pipe ahead of the valve

از آنجایی که عملکرد شیرکنترل و تله بخار می‌تواند تحت تاثیر ماده خارجی در بخار قرار گیرد، بهتر است یک صافی با مش 1000 به همان اندازه لوله بخار قبل از شیرکنترل، کار گذاشته شود.

Metal steam heaters, when suspended in electrified tanks, may conduct current through the steam lines to ground so it is a good practice to install nonconductive couplings between the heater and the pipelines. This can be accomplished using a proprietary insulating coupling, dielectric union, or section of steam hose.

هیترهای بخار فلزی، هنگامی که در مخازن الکتریکی معلق هستند، ممکن است جریان را از طریق خطوط بخار به زمین منتقل کنند، بنابراین نصب اتصالات نارسانا بین خط لوله و هیتر کار عاقلانه‌ای است. این اتصالات را می‌توان با استفاده از یک کوپلینگ مخصوص عایق‌بندی، مهره ماسوره عایق یا بخشی از شلنگ بخار انجام داد.

Finally, because some steam heaters maybe buoyant (tend to float) when in service, it is necessary to secure these heaters through the use of ballasts or proprietary hold-down fixtures.

در نهایت، به دلیل اینکه برخی از هیترهای بخار ممکن است حین کار، شناور شوند (تمایل به شناورشدن دارند)، لازم است که این هیترها از طریق استفاده از محافظ یا تجهیزات مخصوص نگهداری، محافظت شوند.

Hot water (thermal fluid) heating is similar to steam heating in the methods used for sizing. The basic differences involve the usually lower heating solution temperatures and the lower performance, overall heat transfer coefficient of the heater. As in the case of steam heating, the overall transfer coefficient is subject to varying performance and its precise computation is beyond the scope of this presentation. The following rule-of-thumb values can be used for estimating hot water heater sizes. For metal, the overall heat transfer coefficient is 70-100 BTU/hr/ft2/oF. For plastic, the range is 20-50. Use 95 for metal and 40 for Teflon.

گرمایش آب‌گرم (یا مایعات حرارتی) شبیه به گرمایش بخار در روش‌های مورد استفاده برای تعیین اندازه است. تفاوت‌های اساسی شامل درجه‌حرارت پایین محلول و عملکرد ضعیف‌تر، ضریب انتقال گرمای کل در هیتر است. همانطور که در مورد گرمایش بخار گفته شد، ضریب انتقال کل منوط به عملکرد  کلی است و محاسبات دقیق آن فراتر از حوزه این مقاله است. مقادیر تجربی زیر را می‌توان برای تعیین اندازه هیتر آب‌گرم استفاده کرد. ضریب انتقال حرارت کل در فلزات hr/ft2/oF/ BTU70 تا 100 است. در پلاستیک‌ها، این محدوده از 20-50 است. برای فلزات از 95 و برای تفلون از 40 استفاده کنید.

Table VII. Water Flow Rates for Various Nominal Pipe Sizes

جدول 7. نرخ جریان آب برای اندازه های لوله اسمی مختلف

Nominal Pipe Size (in.)

Flow Rate (gal/min)

نرخ جریان (گالن بر دقیقه)

اندازه اسمی لوله (اینچ)

½

¾

1

1 – ¼

1 – ½

6

10

20

30

45

6

10

20

30

45

½

¾

1

¼ - 1

½ - 1

The calculation of the LMTD uses the same equation but now the heating fluid temperature must change since it is yielding the fluid heat and not the evaporative heat available in steam. It is wise to limit the heat drop of the heating fluid to 10°F since greater drops maybe impossible to achieve in a field-installed condition. Also, it is wise to design the exiting heating fluid temperature to be 15°F higher than the final solution temperature to ensure field reproduction of design performance. Consult your heater supplier for assistance if you experience any difficulty in sizing a heater.

برای محاسبه LMTD از همان معادله استفاده می‌شود، ولی در این معادله درجه حرارت گرمایش مایع باید تغییر کند چون حرارت مایع لحاظ شده است ولی گرمای تبخیری موجود در بخار لحاظ نشده است. بهتر است که کاهش گرمای سیال گرمایش را به 10 درجه فارنهایت محدود کنیم از آنجایی که دستیابی به افت دمای بیشتر شاید در یک شرایط نصب شده برروی زمین غیرممکن باشد. همچنین عاقلانه است که طراحی دمای سیال گرمایش خروجی را به 15 درجه فارنهایت بالاتر از دمای نهایی محلول برای اطمینان از تولید مجدد عملکرد طراحی داشته باشیم. در صورت بروز هرگونه مشکل در تعیین اندازه هیتر، با تامین کننده هیتر مشورت کنید.

Table VIII. Typical Valve Sizes and Flow Rates for a Pressure Drop of 5 psig

جدول 8. اندازه‌های شیرکنترل رایج و نرخ‌های جریان برای یک افت فشار معادل psig 5

CV Factor

Diaphragm Valve Size (in.)

Flow Rate (gal/min)

نرخ جریان (gal/min)

اندازه شیر دیافراگم (اینچ)

عامل CV

4.0

6.5

13.5

22.5

½

¾

1

1 – ½

9

14

30

50

9

14

30

50

½

¾

1

1 - ½

4.0

6.5

13.5

22.5

As an example, heat a solution from 65 °F (ambient shop temperature) to 140°F (operating temperature) using 195 °F hot water. Limit the hot water temperature drop to 10°F or 185°F outlet. This temperature is more than 15°F above the final bath temperature.

به عنوان مثال، یک محلول را از دمای 65 درجه فارنهایت (دما محیط کارگاه)  به 140 درجه فارنهایت (دمای کاری) با استفاده از آب‌گرم 195 درجه فارنهایت، حرارت می‌دهیم. کاهش دمای آب‌گرم را به 10 درجه فارنهایت یا خروجی 185 درجه فارنهایت محدود کنید. این دما بیش از 15 درجه فارنهایت بالاتر از دمای حمام نهایی است.

ΔT1 =195 – 65 = 130°F

ΔT2 = 185 – 140 = 45°F

LMTD= (130-45) / ln (130/45) = 95/0.0607 = 0.89°F

ΔT1 =195 – 65 = 130°F

ΔT2 = 185 – 140 = 45°F

LMTD = (130-45)/(ln(130/45) =95/0.0607=0.89°F

The heater area required to heat a process solution equals the design heating requirement divided by the overall heat transfer coefficient times the LMTD.

مساحت هیتر موردنیاز برای گرمایش محلول فرایند برابر با طرح گرمایش موردنیاز تقسیم بر ضریب انتقال گرمای کل ضرب در LMTD است.

Design heating requirement /[Overall transfer coefficient x LMTD)

طراحی گرمایش موردنیاز / [ ضریب انتقال گرمای کل x LMTD]

With hot water heaters, it is a wise precaution to install high liquid level cutoffs that will shutoff hot fluid flow in the event of a heater leak. If a high temperature heating fluid is used, solution temperature sensitivity must be evaluated and high temperature, low liquid level cutoffs may be in order.

در مورد هیترهای آب‌گرم، نصب کنترلر سطح مایع یک اقدام احتیاطی و معقول به شمار می‌رود، که جریان سیال داغ را در صورت نشت هیتر قطع می‌کند. درصورت استفاده از سیال با دمای بالا گرمایش، باید حساسیت دمای محلول مورد بررسی قرار گیرد و شاید استفاده از کنترلر دمای بالا و سطح مایع پایین منطقی باشد.

Once the coil area has been selected, the hot water (thermal fluid) flow must be calculated. The flow is equal to the design heating requirement, divided by the temperature drop of the heating fluid, times the specific heat of the heating fluid, times the specific gravity of the heating fluid.

پس از انتخاب محل کویل، جریان آب‌گرم (سیال حرارتی) باید محاسبه شود. جریان مساوی است با طرح گرمایش موردنیاز تقسیم بر افت دمای مایع گرمایش ضرب در گرمای ویژه مایع گرمایش، ضرب در دانسیته ویژه مایع گرمایش.

Design heating requirement / [Temperature drop x s.h. x s.g. (all of the heating fluid)]

افت دما) / طرح گرمایش موردنیاز x s.h. x s.g. ((تمام مایعات حرارتی)

This results in the pounds per hour of heating fluid. To convert this into gallons per minute, divide the pounds per hour by the weight of fluid per gallon times 60 (water weighs 8.33 Ib/gal). This value is used to evaluate pipe size (both inlet and outlet). Table VII gives a reasonable flow for water through various pipe sizes.

درنتیجه مایع گرمایش بر حسب پوند در هر ساعت به دست می‌آید. برای تبدیل این عدد به گالن در دقیقه، پوند در ساعت را به وزن مایع در هر گالن تقسیم کنید سپس ضرب در60 کنید (وزن آب Ib/gal 8.33). این مقدار برای تعیین اندازه سایز لوله (در ورودی و خروجی) مورد استفاده قرار می‌گیرد. جدول 7 جریان مناسب برای آب را از طریق اندازه لوله‌های مختلف نشان می‌دهد.

The control valve may be smaller than the pipe ‎size. Some typical sizes for diaphragm ‎valves with a water pressure drop of 5 psig are ‎given in Table VIII.‎

شیر کنترل ممکن است کوچکتر از اندازه لوله باشد. برخی از اندازه‌های رایج برای شیرهای دیافراگم با یک افت فشار آب تا 5 psig در جدول 8 آمده است.

As with steam heaters, it is a good practice to install a strainer to minimize foreign particles that may affect valve performance. A 60-mesh strainer is usually fine enough for hot fluid systems.

همانند هیترهای بخار، به منظور حداقل رساندن ذرات خارجی نصب صافی کار مفیدی است که ممکن است عملکرد شیرکنترل را تحت تأثیر قرار دهد. یک صافی مش 60 معمولا برای سیستم‌های سیال گرم، به اندازه کافی ریز است.

Metal heaters, when suspended in electrified tanks, may conduct current through supply lines to ground so it is a good practice to install nonconductive couplings between the heater and the pipe lines. A proprietary insulating coupling or dielectric union can be used.

هنگامی که هیترهای فلزی در مخازن الکتریکی معلق هستند، ممکن است جریان را از طریق خطوط منبع تغذیه به زمین منتقل کنند، بنابراین نصب کوپلینگ‌های نارسانا بین خطوط لوله و هیتر کار مفیدی به شمار می‌رود. یک کوپلینگ عایق‌بندی مخصوص، یا مهره ماسوره عایق را می توان استفاده کرد.

Plastic heaters and some empty metal heaters may be buoyant, so be sure to provide adequate anchoring if floating is suspected.

هیترهای پلاستیکی و برخی هیترهای فلزی خالی ممکن است شناور شوند، بنابراین اگر به شناوری مشکوک هستید از وجود بست مناسب مطمئن شوید.

Thermal stratification is a fact of life in heated process tanks. To minimize this effect good agitation (mixing) is required. Classic air agitation is sized at one cfm per foot of length. When placed beneath a cathode (or anode) it provides sufficient agitation to that surface to enhance deposition rates. It does not, in this form, eliminate thermal stratification. Top-down mixing can be provided through recirculation pumping. Pumps sized for 10 turn overs or more per hour provide good milling and uniform temperatures. Skimming style pump inlets with sparger bottom discharges are best since higher temperature solutions are forced to the cooler areas.

لایه‌بندی حرارتی یک امر ذاتی در مخازن فرایند گرم است. اختلاط (هم‌زدن) خوب به منظور حداقل رساندن این اثر موردنیاز است. اختلاط هوای قدیمی براساس یک cfm بر فوت طولی تعیین اندازه می‌شود. هنگامی که زیر کاتد (یا آند) قرار می‌گیرد، اختلاط مناسبی را در سطح ارائه می‌کند تا میزان نرخ رسوب افزایش یابد. لایه‌بندی حرارتی به این روش از بین نمی‌رود. از طریق پمپاژ چرخشی، می‌توان اختلاط بالا به پایین انجام داد. پمپ‌های اندازه‌گیری شده برای 10 دوره و یا بیشتر در هر ساعت، دمای یکنواخت و تلاطم خوبی دارند. بهترین نوع پمپ، پمپ‌های دارای ورودی‌ مدل کف‌کش و خروجی حباب‌ساز در پایین مخزن است، زیرا محلول‌های گرمتر به نواحی خنک‌تر رانده می‌شوند.

In tanks three feet deep and more, a vertical sump pump can be mounted on the tank flange with a length of discharge pipe anchored to the tank bottom. These can often be coupled to in-tank filters for removal of particulates while providing mixing. Air agitation, When properly placed, can "average" temperature in their zone of influence (usually 6-12 in.) and can be used to enhance response time for temperature controller sensors. As the air agitation is increased, heat losses also increase, making air agitation a less desirable means of dealing with thermal stratification.

در مخازن با عمق سه فوتی و عمیق‌تر، یک پمپ عمودی شستشو می‌تواند بر روی فلنچ مخزن نصب شود به همراه لوله تخلیه‌ای که به انتهای مخزن متصل است. این پمپ در حالی که محلول را مخلوط می‌کند، در اغلب موارد ممکن است به فیلترهای درون مخزنی به منظور حذف ذرات متصل شود. اختلاط هوا هنگامی که به درستی محل‌یابی شود، می‌تواند دمای "متوسط" را در منطقه خود، تحت تاثیر قرار دهد (معمولا 6-12 اینچ) و می‌تواند برای افزایش زمان پاسخ برای حسگرهای کنترل‌کننده دما مورد استفاده قرار گیرد. با افزایش اختلاط هوا، تلفات حرارتی نیز افزایش می‌یابد، منجر به کاهش مطلوبیت روش اختلاط هوا در جدال با لایه‌بندی حرارتی می‌شود.

Heat sensitive solutions can be addressed by either electric or hot water (thermal fluid) heaters. Electric is the easiest to control since the heater surface temperature can be varied by varying the input voltage. A heater surface temperature controller can limit surface temperatures while still providing sufficient heat for the solution. Similarly, hot water systems can be sized for maximum hot water temperatures (and thus heater temperatures) but control and response are usually inferior to electric systems.

محلو‌ل‌های حساس به دما می‌توانند توسط هیترهای الکتریکی و یا آب‌گرم (مایع حرارتی) معرفی شوند. الکتریسیته ساده‌ترین روش کنترل است زیرا دمای سطح هیتر را می‌توان با تغییر ولتاژ ورودی، تغییر داد. یک کنترلر دمای سطح هیتر در حالی‌که گرمای کافی برای محلول فراهم می‌کند، می‌تواند دمای سطح را محدود کند. هیتر الکتریکی مشابه سیستم‌های آب‌گرم می‌تواند نسبت به حداکثر دمای آب‌گرم (و همینطور درجه‌حرارت هیتر) تعیین اندازه شود، اما کنترل و پاسخ معمولا کمتر از سیستم‌های الکتریکی است.

Prepared by research and development unit of Jalapardazan Persia (JP)

February 2018

مرجع کتاب متال فینیشینگ 2013-2014

تهیه شده در واحد پژوهش و گسترش

جلاپردازان پرشیا (JP)