Гидравлически закрытые циркуляционные термостаты. Принципы и технологии

Для высокомощных пилотных и промышленных циркуляционных термостатов была разработана технология гидравлически закрытого контура, благодаря которой эффективность теплообмена и точность поддержания температуры увеличились в несколько раз, по сравнению с классическими термостатами с открытой ванной.

Традиционно термостаты представлены в форме открытой ванны. Внутри ванны находятся теплообменники в виде змеевиков, а также циркуляционный насос. В случаях, когда темперируемый объект требует полного или частичного погружения в резервуар, такие термостаты просто идеальны. Если же темперируемый объект не требует погружения, а циркулирующий теплоноситель поступает к объекту по внешнему замкнутому контуру, то применение термостатов с открытыми ваннами влечет за собой эксплуатационные недостатки, отрицательно влияющие на показатели процесса темперирования.

Основные недостатки термостатов с ванной:

1. Резервуар

• Внутренний резервуар выполняет две функции:
• Вмещает в себя теплоноситель.

Делает возможным расширение и сжатие теплоносителя при нагреве и охлаждении.

Чем больше внешний темперируемый объект, тем больше так называемая “приливная волна”. Поэтому внутренняя ванна термостата должна быть достаточно большой, чтобы вмещать в себя изменяющийся по объему теплоноситель. Однако, чем больше внутренняя ванна термостата, тем меньше вырабатываемой мощности трансформируется вовне. Данное явление характеризуется соотношением “ватт на литр” (Вт/л).

Простой пример, демонстрирующий данное соотношение - чайник. Двухлитровый чайник с нагревателем мощностью 1 кВт будет иметь соотношение, равное 500 Вт/л. Тот же самый чайник, наполненный 1 литром воды, имеет соотношение 1000 Вт/л и закипит в два раза быстрее.

Так как контроль процесса зависит от скорости, с которой рубашка химического реактора может реагировать на поток тепловой энергии, то большой объем теплоносителя является отрицательным тепловым фактором, влияющим на скорость реакции.

2. Поверхность теплообменника

Передача тепла напрямую зависит от площади поверхности теплообменника. Данное явление выражается соотношением “ватт на квадратный сантиметр” (Вт/см2 ). Чем меньше поверхность теплообменника, тем больше данное соотношение, и тем беднее теплообмен. Теплообменники в форме змеевика имеют сравнительно небольшую поверхность, а значит, являются малоэффективными в процессе теплообмена.

3. Абсорбция влаги

Известный факт - влага всегда оседает на холодных поверхностях. В открытых ваннах оседающая влага образует конденсат на стенках ванн, а также лед на поверхности испарителя. Так как лед является хорошим изолятором, растущий слой препятствует теплообмену и увеличивает продолжительность процесса темперирования.

4. Масляные пары

При работе на высоких температурах, происходит испарение используемого теплоносителя. Едкие испарения оседают на поверхностях, оказывают вред здоровью, ставят под угрозу безопасность работы, засоряя фильтры кондиционеров. В зависимости от температуры процесса темперирования, испарения могут становиться взрывоопасными, что значительно уменьшает температурный диапазон использования теплоносителя.

При работе на высоких температурах, происходит испарение используемого теплоносителя. Едкие испарения оседают на поверхностях, оказывают вред здоровью, ставят под угрозу безопасность работы, засоряя фильтры кондиционеров. В зависимости от температуры процесса темперирования, испарения могут становиться взрывоопасными, что значительно уменьшает температурный диапазон использования теплоносителя.

Технология гидравлически закрытого контура термостата позволяет устранить вышеуказанные недостатки.

Теплоноситель циркулирует в герметически изолированном кругообороте. Расширение и сжатие теплоносителя при нагревании и охлаждении становится возможным благодаря использованию расширительного сосуда, который изолирован термически, но механически связан с системой циркуляции теплоносителя.

Такая связь означает, что независимо от рабочей температуры термостата, температура теплоносителя в расширительном сосуде отличается от комнатной не более, чем на 2-3 градуса.

Герметическая изоляция позволяет избежать абсорбирования влаги на низких, а также образования едких испарений на высоких температурах, что значительно увеличивает температурный диапазон использования теплоносителя. Кроме того, герметическая изоляция значительно снижает возможность образования масляных осадков на рабочих поверхностях лаборатории.

Важно отметить, что вышеуказанные преимущества обеспечиваются только за счет применения “пассивных” компонентов и законов физики. Механические или электро-механические клапаны не используются для обеспечения безопасности и эффективности работы оборудования.

Температурный контроль процесса значительно улучшен за счет следующих новшеств:

• Гидравлически закрытые циркуляционные термостаты не имеют большого внутреннего резервуара. Объем циркулирующего теплоносителя минимален и, как правило, не превышает 2-4 литров. Таким образом, практически вся вырабатываемая термостатом мощность передается вовне. Данное явление характеризуется соотношением “ватт на литр” (Вт/л). Высокое соотношение “ватт на литр” позволяет в кратчайшие сроки осуществлять температурные изменения, четко реагировать на самые динамичные химические процессы.
• Теплообменные пластины имеют большую поверхность и малый внутренний объем, что позволяет более эффективно трансформировать тепло. Данное явление характеризуется соотношением “ватт на квадратный сантиметр” (в/см2). Поскольку соотношение очень низкое, термостаты способны не только вырабатывать, но и трансформировать вовне высокую мощность охлаждения и нагрева без изменения характеристик теплоносителя.
• Благодаря широкому температурному диапазону термостатов для подавления экзотермических реакций и эндотермических реакций, а также для более быстрого достижения заданного значения, температура теплоносителя может сильно отличаться от температуры среды.

Результат многолетних исследований - мощный, компактный, ориентированный на внешнюю систему термостат, осуществляющий более точный температурный контроль, сокращающий время и увеличивающий достижения в области высокоточного темперирования.

К гидравлически закрытым системам также можно отнести охлаждающие термостаты (чиллеры), которые работают в диапазоне температур от -10°С (-20°С) до +100°С. Термостаты данной серии также можно использовать с химическими реакторам, теплообменниками, камерами охлаждения и т.п.