電気ヒーターの選定について

質問

液体を間接加熱し、蒸発乾燥させる用途にて、金属水槽底部に接続する電気ヒーターを用いて加熱を行いたいのですが、この際どの種類の電気ヒーターを使うのが適切でしょうか。
水槽内には乾燥物受けの為に紙を敷いて加熱を行いたく、紙の発火点（300℃程度）を超えることは出来ません。
スペースヒーター（プレート上の金属ヒーター、1.75kW、200×300mm、ヒーター表面200℃制御）を用いて試作した際には液温が80℃程度にしか達さず。乾燥まで大幅な時間がかかりました。
有識者の方、ご教授お願い申し上げます。

回答No.4

lumiheart

回答１です
回答３さんの図を拝借して不足分を書き足しました

温調するなら温度センサはワークに付ける（鉄則）

炊飯器は内釜の外側温度を計測してるけれど
あれはアルミ釜なんで釜の内側と外側の温度差はほぼ無い
本件はSUSなのでアルミよりは温度差は大きい
まぁ、板厚が薄かったら気にしなくとも良いけど

それと温調器の設定温度ですが
炊飯器は炊けるまえの沸騰してる時は内釜の外側温度は１００℃以下
でも炊き上がるを水分は無くなって１００℃を超える
その時の温度を炊き上がり検出してる

本件もその理屈で行けそう？
じゃあ何度にするかですが

水分の多く残ったベチャベチャか？ふっくらか？パサパサか？
さてどーする？

回答No.3

ohkawa3

回答(2)再出
補足頂き有難うございました。
既に対処なさっているかと思いますが、念のために回答します。

1) スペースヒーターと容器の底の間に隙間があれば、熱伝導を阻害するので加熱効率が低下します。組み立てを改善して密着させることができればいいのですが、密着させることが難しければ、熱伝導性のフィラー（熱伝導シート）などを挟むなどの対処をお勧めします。

2) 外部に熱が逃げないように、断熱材で囲むことをお勧めします。特に、スペースヒーターの底面に十分な断熱材を設けることが、加熱効率の向上に役立つと思います。

上記のように対処したとしても、水分を蒸発させるためには、相当のエネルギーが必要です。仮に、容器に水深100mmの水を入れた場合、容量は6Lであり、水の質量は6kgです。
水の比熱は、2257kJ/kgありますから、6kgの水を蒸発させるために必要なエネルギーは、2257kJ/kg×6kg＝13542kJ 必要です。
ヒーターに投入する1.75kWの6割が水の蒸発に寄与すると仮定るると、1.75kW×0.6＝1.05kW＝1.05kJ/sです。
大雑把な計算ですが、蒸発に要する時間は、少なくとも13542kJ÷1.05kJ/s≒12900s≒3.6時間は必要と計算できます。

投入する容量（水深）次第ですが、水分を蒸発させるためには相当大きなエネルギーを投入することが必要であることを前提に設備設計なさることをお勧めします。

なお、水分が減るにしたがって粘度が上がるような場合は、対流によって温度分布が均一化する作用が乏しくなるので、焦げ付き易くなるので、機械的に撹拌するなどの補助的な手段を検討した方がよさそうに思います。

水分の蒸発速度には、水面の通風が大きく影響しますので、回答(1)さんがお示しのように、通風を考慮することも重要と思います。

回答No.2

ohkawa3

1) 金属水槽のサイズ、底板・側板の厚さ、材質はどの程度でしょうか？
熱が、内容物に伝わらずに、側板等から逃げている割合が大きければ、加熱効率は悪くなります。

2) 内容物は、水溶液なのでしょうか？ 水飴のように粘性がつよい物質でしょうか？ 例えば、海綿状物質のようにある程度形状をもつ性状でしょうか？

3) 内容物は、沸騰させても構わないのでしょうか？ 沸騰させても構わないのであれば、気化熱によって温度上昇が制限されるので、液面がある限りヒーターの温度制御は不要です。干上がる直前に温度を制限して、空焚きになることを防げばよさそうに思います。

補足

ご回答ありがとうございます。
不足等補足させて頂きます。
1)
水槽サイズ 　W300×D200×H120mm
材質SSPC 　側板3.2mm 底板6.0mm
表面処理　フッ素樹脂コート　膜厚20～50μm程度(水槽全面)
また、外側には断熱材を巻いております。

底板アルミ合金で製作も考えておりますが、現状SSPC材での処理時間が想定より随分遅かったのでまずはSSPC材での処理能力を高めたいと考えております。

2)内容物について
一概ではありませんが水溶性液体（含水量80％以上）と考えて頂ければと思います。
濃縮段階で粘度が高くなるものもございます

3)
沸騰させても問題ございません。
温度制御に関しては蒸発紙の発火点を超えないようにする為とヒーターの過熱防止の観点より導入いたしましたが、液面がある前提でヒーターの最大使用推奨温度（おそらく３００～３５０℃）まで上げても問題なさそうでしょうか

よろしくお願いいたします。

回答No.1

lumiheart

一番肝心のワーク種類と質量が書いてないけれど
＞（プレート上の金属ヒーター、1.75kW、200×300mm、ヒーター表面200℃制御）
この容量を選定した根拠は如何に？
少なくともワーク質量を設定時間内に十分加熱出来る容量と算定したのでしょうか？
https://www.nippon-heater.co.jp/designmaterials/calculation/

通常の乾燥機ではブロアで熱風をワークに当てるんですが？
所謂、ヘアドライヤ方式
https://www.nippon-heater.co.jp/products/gas/
この方式は使えないのでしょうか？
https://www.ngk.co.jp/product/heatdevice-drying-furnace.html
まぁ、ご予算の問題も大きいんでしょうけれど

補足

早速のご回答ありがとうございます。
情報不足で申し訳ございません。補足させて頂きます。

・ワーク種類・質量
５Ｌの水溶性液体

・ヒーター容量選定について
５Ｌ、水温２０℃の水を初期値とし、エネルギー損失も考慮し４時間以内を目標に選定いたしました。

・加熱方式について
費用も勿論ですが、なるべく電気消費量を抑えたいという観点から、間接加熱を用いることにいたしました。

・炉体について
蓋はしておりますが水蒸気を排出するため水槽内空気をブロワーにて排出しております。排出分は大気より吸入してます為密閉状態とはなっておりません。

上記内容で完全乾燥まで約7～8時間程度要しています。（ヒーター累計電気使用量5kW程度）
やはり蒸発紙の発火点を超えない温度での間接加熱では大幅な蒸発速度促進は難しいでしょうか

よろしくお願いいたします。