Specjalistyczny zakład chemiczny potrzebował do podgrzania roztworu polimeru o lepkości około 20 000 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 10 MΩ. Grzejnik został określony na 1,2 W/cm², co było odpowiednie dla wody, ale zdecydowanie zbyt agresywne dla lepkiego roztworu polimeru.
Płyny o wysokiej lepkości stanowią podstawowe wyzwanie w zakresie wymiany ciepła. Gruba termiczna warstwa graniczna na powierzchni grzejnika zatrzymuje ciepło, a temperatura powierzchni grzejnika wzrasta znacznie powyżej temperatury płynu w masie. Bezpieczna gęstość watów spada proporcjonalnie do lepkości. Konfiguracja grzejnika musi być zaprojektowana tak, aby zapewnić wymaganą powierzchnię przy niskiej gęstości mocy, a przepływ na powierzchni grzejnika musi być utrzymany, aby zmniejszyć grubość warstwy granicznej.
Problem wymiany ciepła w płynach o wysokiej lepkości
W płynie o lepkości 100 razy większej od wody współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła wynosi 10–20% wartości wody. Różnica temperatur konieczna do przekazania danego strumienia ciepła jest odpowiednio większa. W przypadku grzejnika pracującego przy 1,0 W/cm² w płynie o lepkości 100× różnica temperatur między powierzchnią- a-masą może wynosić 40–60 stopni.
Wysoka temperatura powierzchni przyspiesza degradację PTFE. Polimer mięknie, traci stabilność wymiarową i staje się bardziej przepuszczalny. Grzejnik nie działa od zewnątrz.
| Lepkość płynu | Stosunek do wody | Współczynnik konwekcji | Powierzchnia 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 |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 stopni | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 stopni | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 stopni | 0,4–0,6 W/cm² |
Przenikanie ciepła i bezpieczna gęstość watów dla płynów o wysokiej lepkości
Konfiguracja-wieloprzepustowa
Konfiguracja wieloprzebiegowa-rozdziela powierzchnię grzewczą na większym obszarze, zmniejszając gęstość watów na jednostkę powierzchni. Przepusty są rozmieszczone tak, aby zmaksymalizować powierzchnię w dostępnej objętości zbiornika i umożliwić przepływ między nimi.
Przy obciążeniu 6 kW przy 0,7 W/cm² wymagana powierzchnia wynosi 8571 cm². Wieloprzebiegowy grzejnik o średnicy płaszcza 50 mm i ośmiu przejściach po 700 mm każdy zapewnia około 8796 cm²-wystarczającą do tego zadania. Przepustki są oddalone od siebie o 40–50 mm, aby umożliwić przepływ między nimi.
| Moc | Bezpieczna gęstość watów | Wymagana powierzchnia | Przechodzi przez osłonę 50 mm | Długość przejścia | Odstęp między przejściami |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 0,7 W/cm² | 4286 cm² | 4 | 700 mm | 40 mm |
| 4 kW | 0,7 W/cm² | 5714 cm² | 5 | 700 mm | 40 mm |
| 5 kW | 0,7 W/cm² | 7143 cm² | 7 | 700 mm | 45 mm |
| 6 kW | 0,7 W/cm² | 8571 cm² | 8 | 700 mm | 45 mm |
| 8 kW | 0,7 W/cm² | 11 429 cm² | 10 | 700 mm | 50 mm |
Konfiguracje wieloprzebiegowe-dla roztworów polimerowych o wysokiej lepkości
Zwiększanie przepływu lepkich płynów
Sama konfiguracja wieloprzebiegowa-nie wystarczy w przypadku lepkiego płynu. Aby zmniejszyć grubość warstwy granicznej, należy utrzymać przepływ na powierzchni grzejnika. Dedykowany eduktor lub mała pompa recyrkulacyjna może kierować przepływ przez kanały.
Lokalna prędkość 0,3–0,5 m/s jest wystarczająca, aby zmniejszyć grubość warstwy granicznej i obniżyć temperaturę powierzchni o 15–25 stopni. Przepływ nie musi być silny,-musi być skierowany na powierzchnię grzejnika.
| Metoda zwiększania przepływu | Prędkość lokalna | Redukcja ΔT powierzchni | Realizacja |
|---|---|---|---|
| Edukator przy grzejniku | 0.3–0.5 m/s | 15–25 stopni | Mała pompa lub sprężone powietrze |
| Pętla recyrkulacyjna | 0.4–0.6 m/s | 20–30 stopni | Pompa i rurociągi |
| Mieszanie mechaniczne | 0.2–0.4 m/s | 10–20 stopni | Mieszadło lub mieszadło |
| Rura przepłukująca | 0.1–0.2 m/s | 8–15 stopni | Sprężone powietrze |
Metody zwiększania przepływu cieczy lepkich
Zagadnienia 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.
Zakrzywiona konfiguracja wieloprzejściowa-dopasowująca się do ściany naczynia maksymalizuje powierzchnię w przestrzeni pierścieniowej. Przepusty ułożone są wokół mieszadła w formie pierścienia, pomiędzy którymi znajdują się kanały przepływowe.
Kiedy nie można zastosować 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.
Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej PTFE z wieloma przejściami, niską gęstością mocy i zwiększonym przepływem jest przeznaczona do roztworów polimerowych o wysokiej lepkości. Proces specyfikacji wymaga lepkości płynu w temperaturze roboczej, wymiarów zbiornika, typu i prędkości mieszadła, wymaganej mocy oraz wymagań dotyczących jednorodności temperatury.
