Quan es dimensiona un escalfador per a un dipòsit nou, la primera pregunta sovint és "Quants watts per galó?" Tot i que un càlcul detallat de la pèrdua de calor és ideal, els valors de referència ràpids proporcionen un punt de partida útil-especialment quan el tipus de fluid canvia significativament la resposta. Les diferents solucions exigeixen diferents densitats de potència per unitat de volum, i l'ús d'una sola regla per a tots els líquids provoca un escalfament lent o danys a l'equip. El mètode de watts-per-galó és una pauta de mida aproximada basada en les pèrdues de calor típiques dels dipòsits industrials i els temps d'escalfament- desitjats, però s'ha d'ajustar per al fluid específic que s'escalfa.
El concepte de watts per galó com a pauta de mida
Watts per galó (W/gal) expressa la potència de l'escalfador necessària per unitat de volum de líquid per mantenir o augmentar la temperatura en condicions mitjanes. Aquesta mètrica té en compte les pèrdues de calor a través de les parets del tanc, l'evaporació de la superfície del líquid i les propietats tèrmiques del líquid. Per als dipòsits molt aïllats amb requisits de calor-lents, n'hi ha prou amb valors de W/gal més baixos. Per a dipòsits no aïllats o necessitats d'escalfament ràpid-, calen valors més alts. Els números que es proporcionen a continuació suposen un dipòsit moderadament aïllat (p. ex., 25-50 mm d'aïllament), una temperatura ambient de 20 °C i un augment de temperatura desitjat de 40 a 60 °C.
Regla-de-recomanacions generals per tipus de solució
Aigua i solucions aquoses diluïdes
Per a l'aigua, l'aigua desionitzada i la majoria de les solucions aquoses diluïdes (pH 6-8, baix contingut de sòlids), un rang de manteniment de 10-15 W/gal és normalment suficient per mantenir la temperatura contra les pèrdues de calor normals. Per a l'escalfament inicial-de l'ambient a 60-80 °C en 2-4 hores, es recomana 20-30 W/gal. L'aigua té una alta capacitat calorífica específica (4,18 kJ/kg·K) i una conductivitat tèrmica relativament bona, la qual cosa permet una densitat de watts més alta sense sobreescalfament localitzat. L'extrem superior de la gamma (15 W/gal per al manteniment) s'aplica als dipòsits no aïllats o amb una alta agitació superficial.
Olis i fluids de baixa{0}}conductivitat
Els olis (oli mineral, oli tèrmic, oli hidràulic) i altres fluids viscosos requereixen una potència significativament menor per galó a causa de la seva menor calor específica (1,8-2,4 kJ/kg·K) i la seva mala conductivitat tèrmica. Un rang de manteniment de 5-8 W/gal és estàndard. Els valors inicials d'escalfament-no han de superar els 10-15 W/gal perquè una concentració de potència més elevada provoca l'ebullició localitzada de la pel·lícula i la degradació de la superfície de PTFE. Sovint s'observa que l'ús de 10 W/gal per al manteniment de l'oli provoca un sobredimensionament i una fallada ràpida del PTFE. Un mètode més precís consisteix a calcular la potència requerida basant-se en la massa d'oli i la calor específica, i després distribuir aquesta potència en una llarga longitud de l'escalfador per mantenir la densitat de watts per sota de 0,8 W/cm².
Banys d'àcids (decapat, decapat, anoditzat)
Les solucions àcides-com l'àcid sulfúric, l'àcid clorhídric, l'àcid cròmic i els segelladors d'acetat de níquel-tenen una densitat i una calor específica més alta que l'aigua en molts casos. Per exemple, l'àcid sulfúric al 20% té una calor específica d'aproximadament 3,5 kJ/kg·K, però la seva densitat és d'uns 1,14 kg/L, el que resulta en una capacitat tèrmica volumètrica similar o superior a l'aigua. En conseqüència, els banys d'àcid sovint requereixen de 20 a 30 W/gal per al manteniment i de 40 a 60 W/gal per a un escalfament ràpid-. Els valors més alts expliquen les pèrdues de calor agressives a través de les parets dels dipòsits (molts dipòsits d'àcid estan fets de polipropilè o PVDF, que són mals aïllants) i la necessitat de mantenir una temperatura precisa per a la qualitat del revestiment. Tanmateix, la densitat de watts de l'escalfador de PTFE s'ha de mantenir igual o inferior a 1,5 W/cm², cosa que pot requerir diversos escalfadors llargs en comptes d'una sola unitat curta i d'alta potència-.
El paper dels límits de densitat de watts
Una restricció crítica que anul·la qualsevol regla de watts-per-galó és la densitat de watts màxima permesa per als escalfadors de PTFE: 1,5 W/cm². La potència total s'ha de distribuir sobre una superfície de coberta suficient per mantenir-se per sota d'aquest límit. Per a l'escalfament d'oli, la densitat de watts de seguretat és molt inferior-normalment entre 0,5 i 0,8 W/cm²-a causa de la mala conductivitat tèrmica i el risc de cocització. Per tant, un escalfador de 6 kW per a un dipòsit d'oli pot necessitar una longitud d'escalfament 2-3 vegades més llarga que un escalfador de 6 kW per a aigua. A la pràctica, quan es calculen els watts de l'escalfador de PTFE per galó per al petroli, la potència total es manté deliberadament baixa (5-8 W/gal) de manera que fins i tot una superfície de l'escalfador modesta roman per sota de 0,8 W/cm².
Per als banys àcids que requereixen 30 W/gal, la potència total pot ser alta. Si el volum del dipòsit és de 100 galons, això suggereix 3000 W (3 kW) per al manteniment. A 1,5 W/cm², la superfície d'escalfament necessària és de 2000 cm². Un escalfador típic de PTFE amb un diàmetre de 25 mm té una superfície d'aproximadament 78,5 cm² per 100 mm de longitud. Per tant, es necessita una longitud escalfada d'uns 2550 mm (2,55 metres). Això es pot aconseguir amb dos o tres escalfadors verticals rectes o amb un disseny llarg en forma de L-.
Advertències importants
Aquests valors de watts-per-galó són estimacions inicials, no especificacions finals. Els requisits d'energia reals depenen de:
Aïllament del dipòsit: els dipòsits d'acer o plàstic no aïllats poden duplicar les pèrdues de calor.
Temperatura ambient: les instal·lacions frigorífiques (5-10 °C) augmenten les necessitats d'energia-de calor.
Temps{0}}d'escalfament desitjat: reduir a la meitat el temps d'escalfament-duplica aproximadament la potència requerida.
Agitació superficial: l'aire o el moviment de les peces augmenta la pèrdua de calor per evaporació.
Material del dipòsit: els dipòsits metàl·lics condueixen la calor cap a l'exterior; els dipòsits de plàstic tenen menor conductivitat tèrmica però poden tenir parets més primes.
Per a una mida precisa, es recomana un càlcul de la pèrdua de calor utilitzant la superfície del dipòsit, el valor R-aïllant i la diferència de temperatura desitjada. El mètode de watts-per-galó s'utilitza millor per al pressupost inicial o per a tancs petits (menys de 50 galons) on els càlculs detallats són menys crítics.
Conclusió
Les regles de watts-per-galó ofereixen una estimació ràpida de la mida dels escalfadors de PTFE: 10-15 W/gal per a aigua, 5-8 W/gal per a olis i 20-30 W/gal per a banys àcids. Aquests valors serveixen com a punt de partida pràctic, però el dimensionament final hauria de tenir en compte les pèrdues de calor reals, el temps d'escalfament desitjat-i el límit crític de densitat de PTFE en watts d'1,5 W/cm² (reduït a 0,5-0,8 W/cm² per als olis). El dimensionament adequat evita tant el subescalfament (producció lenta, mala qualitat del procés) com la fallada prematura de l'escalfador (cocció en sec, degradació de PTFE). Per a un funcionament fiable-a llarg termini, la pauta de watts-per-galó s'ha de combinar amb una comprovació de la superfície i, quan sigui possible, una anàlisi tèrmica completa del sistema del dipòsit.
