Specjalistyczny zakład chemiczny obsługiwał reaktor, w którym przetwarzano roztwór polimeru o lepkości około 15 000 mPa·s w temperaturze roboczej. Istniejąca grzałka zanurzeniowa z PTFE uległa awarii po czterech miesiącach. Na osłonie pojawił się miękki, pęcherzowy pas wzdłuż dolnej części ogrzewanej, a rezystancja izolacji spadła poniżej 8 MΩ. W reaktorze nie mieszano w konwencjonalny sposób,-stosowano w nim powolne mieszadło łopatkowe, które delikatnie poruszało lepki płyn, ale nie powodowało turbulentnego przepływu w osłonie grzejnika.
Lepkie płyny zasadniczo różnią się od kąpieli-wodnych pod względem przenoszenia ciepła. Warstwa graniczna na płaszczu grzejnika jest gruba i stabilna. Konwekcja naturalna jest słaba. Ciepło wytwarzane przez grzejnik nie może skutecznie uciekać, a temperatura płaszcza wzrasta znacznie powyżej temperatury płynu w masie.
Problem wymiany ciepła w lepkich płynach
W lepkim płynie współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła jest niski. W przypadku płynu o lepkości 100 razy większej od wody współczynnik może wynosić 10–20% wartości wody. Różnica temperatur konieczna do przekazania danego strumienia ciepła jest odpowiednio większa.
W przypadku grzałki zanurzeniowej z PTFE pracującej z mocą 1,0 W/cm² w lepkim płynie różnica temperatur-do-masy może wynosić 40–60 stopni. W kąpieli wodnej-o tej samej gęstości watów różnica wynosi 12–18 stopni. Większa szczelina oznacza, że osłona działa w znacznie wyższej temperaturze przy tej samej temperaturze masy.
| Lepkość płynu | Stosunek do wody | Współczynnik konwekcji | Osłona ΔT przy 1,0 W/cm² | Bezpieczna gęstość watów |
|---|---|---|---|---|
| Woda | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 stopni | 1,5–2,0 W/cm² |
| Lekki olej | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 stopni | 1,0–1,3 W/cm² |
| Roztwór polimeru | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 stopni | 0,6–0,9 W/cm² |
| Ciężki polimer | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 stopni | 0,4–0,6 W/cm² |
Przenikanie ciepła i bezpieczna gęstość watów dla lepkich płynów
Modyfikowanie podgrzewacza pod kątem pracy lepkiej
Aby bezpiecznie pracować w lepkim płynie, należy zmodyfikować grzejnik. Modyfikacje dotyczą trzech czynników określających temperaturę płaszcza: gęstość watową, pole powierzchni i przepływ.
Gęstość watów należy zmniejszyć do bezpiecznego zakresu lepkości płynu. W przypadku roztworu polimeru o lepkości 100 razy większej od wody bezpieczna gęstość watów wynosi 0,6–0,9 W/cm². Wymaga to większej powierzchni przy tej samej mocy.
Większą powierzchnię można uzyskać dzięki konfiguracji wielo-przebiegowej lub rozszerzonej. Grzejnik będący zwartą wiązką w wodzie staje się długim, rozproszonym elementem w lepkiej cieczy.
Należy poprawić przepływ w osłonie. Wolne mieszadło łopatkowe nie powoduje przepływu na powierzchni grzejnika. Dedykowany eduktor lub mała pompa recyrkulacyjna może skierować przepływ przez osłonę, zmniejszając grubość warstwy granicznej i obniżając temperaturę osłony.
| Modyfikacja | Wpływ na temperaturę płaszcza | Realizacja |
|---|---|---|
| Zmniejsz gęstość watów do 0,7 W/cm² | 15–25 stopni niżej | Większa powierzchnia |
| Zwiększ powierzchnię 2× | 10-15 stopni niżej | Konfiguracja wieloprzebiegowa- |
| Dodaj eduktor do osłony | 15–25 stopni niżej | Mała pompa lub sprężone powietrze |
| Dodaj pętlę recyrkulacji | 20–30 stopni niżej | Pompa i rurociągi |
Modyfikacje dotyczące pracy lepkiej i ich wpływ na temperaturę płaszcza
Wyzwanie dotyczące geometrii reaktora
Reaktor chemiczny często ma inną geometrię niż zbiornik galwaniczny. Reaktor może być cylindryczny z kopułową górą i dołem, z centralnym wałem mieszadła i przegrodami. Dostępna przestrzeń dla grzejnika jest ograniczona do pierścieniowego obszaru pomiędzy mieszadłem a ścianą naczynia.
Grzejnik wieloprzepływowy-o dużej powierzchni może nie zmieścić się w przestrzeni pierścieniowej. Podgrzewacz musi być zaprojektowany tak, aby dopasowywał się do krzywizny ściany zbiornika lub mieścił się w dostępnej przestrzeni bez ingerencji w mieszadło.
| Typ reaktora | Dostępna przestrzeń | Zalecana konfiguracja grzejnika |
|---|---|---|
| Cylindryczny, mieszadło | Szczelina pierścieniowa | Zakrzywione wielokrotne-przejście |
| Cylindryczny, bez mieszadła | Pełna głośność | Centralny multipass- |
| Statek z płaszczem | Wewnętrzna przestrzeń cewki | Cewka lub bagnet |
| Mały reaktor | Ograniczony | Kompaktowa, o niskiej-watowej-gęstości |
Geometria reaktora i konfiguracja grzejnika
Kiedy nie można zmodyfikować standardowego grzejnika
Jeśli reaktor nie jest w stanie pomieścić powierzchni wymaganej dla niskiej gęstości mocy, dostępne są opcje zmniejszenia mocy, zaakceptowania krótszej żywotności lub zastosowania alternatywnej metody ogrzewania. Zewnętrzny wymiennik ciepła może być bardziej odpowiedni do pracy w lepkości, ponieważ może zapewnić większą powierzchnię przy mniejszej objętości.
Gdy wymagana jest konfiguracja niestandardowa
Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE o niskiej gęstości mocy, dużej powierzchni i zwiększeniu przepływu jest przeznaczona do pracy w reaktorze lepkim. Proces specyfikacji wymaga lepkości płynu w temperaturze roboczej, wymiarów reaktora, typu i prędkości mieszadła, wymaganej mocy oraz wymagań dotyczących jednorodności temperatury.
