Et spesialkjemisk anlegg trengte for å varme opp en polymerløsning med en viskositet på omtrent 20 000 mPa·s ved driftstemperatur. Den eksisterende PTFE el-patronen hadde sviktet etter fire måneder. Kappen viste et mykt, blemmeformet bånd langs den nedre oppvarmede delen, og isolasjonsmotstanden hadde falt under 10 MΩ. Varmeren var spesifisert til 1,2 W/cm², noe som var passende for vann, men altfor aggressivt for den viskøse polymerløsningen.
Høyviskositetsvæsker utgjør en grunnleggende varmeoverføringsutfordring. Det tykke termiske grenselaget ved varmeapparatets overflate fanger varme, og varmeapparatets overflatetemperatur stiger langt over bulkfluidtemperaturen. Den sikre watt-tettheten synker proporsjonalt med viskositeten. Varmeovnskonfigurasjonen må utformes for å gi det nødvendige overflatearealet ved lav watttetthet, og strømmen ved varmeapparatoverflaten må opprettholdes for å redusere grenselagets tykkelse.
Varmeoverføringsproblemet i høyviskositetsvæsker
I en væske med viskositet 100 ganger vann, er konvektiv varmeoverføringskoeffisient 10–20 % av vannverdien. Temperaturforskjellen som kreves for å overføre en gitt varmefluks er tilsvarende høyere. For en varmeovn som opererer med 1,0 W/cm² i en 100× viskositetsvæske, kan temperaturgapet mellom overflaten-til-massen være 40–60 grader.
Den høye overflatetemperaturen akselererer nedbrytning av PTFE. Polymeren mykner, mister dimensjonsstabilitet og blir mer permeabel. Varmeren svikter fra utsiden og inn.
| Væskeviskositet | I forhold til vann | Konvektiv koeffisient | Overflate ΔT ved 1,0 W/cm² | Sikker watttetthet |
|---|---|---|---|---|
| Vann | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 grader | 1,5–2,0 W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 grader | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 grader | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 grader | 0,4–0,6 W/cm² |
Varmeoverføring og sikker watttetthet for væsker med høy viskositet
Multi-Pass-konfigurasjonen
En multi-pass-konfigurasjon fordeler varmeoverflaten over et større område, og reduserer watttettheten per enhetsareal. Passene er arrangert for å maksimere overflatearealet innenfor det tilgjengelige karvolumet og for å tillate strømning mellom dem.
For 6 kW bruk ved 0,7 W/cm² er det nødvendige overflatearealet 8 571 cm². En multi-varmeovn med en kappediameter på 50 mm og åtte passasjer på 700 mm hver gir omtrent 8 796 cm²-nok til oppgaven. Passene er plassert 40–50 mm fra hverandre for å tillate flyt mellom dem.
| Watt | Sikker watttetthet | Nødvendig overflate | Passerer ved 50 mm kappe | Passlengde | Pass Avstand |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 | 7 143 cm² | 7 | 700 mm | 45 mm |
| 6 kW | 0,7 W/cm² | 8 571 cm² | 8 | 700 mm | 45 mm |
| 8 kW | 0,7 W/cm² | 11 429 cm² | 10 | 700 mm | 50 mm |
Multi-pass-konfigurasjoner for polymerløsninger med høy viskositet
Strømningsforsterkning for viskøse væsker
En fler-pass-konfigurasjon alene er ikke tilstrekkelig i en viskøs væske. Strømningen ved varmeovnens overflate må opprettholdes for å redusere grensesjikttykkelsen. En dedikert eduktor eller en liten resirkulasjonspumpe kan lede strømning over passasjene.
En lokal hastighet på 0,3–0,5 m/s er tilstrekkelig til å redusere grensesjikttykkelsen og senke overflatetemperaturen med 15–25 grader. Strømmen trenger ikke å være sterk-den må rettes mot varmeoverflaten.
| Metode for strømningsforsterkning | Lokal hastighet | Overflate ΔT-reduksjon | Implementering |
|---|---|---|---|
| Eduktor ved varmeapparat | 0.3–0.5 m/s | 15–25 grader | Liten pumpe eller trykkluft |
| Resirkulasjonssløyfe | 0.4–0.6 m/s | 20–30 grader | Pumpe og rør |
| Mekanisk agitasjon | 0.2–0.4 m/s | 10–20 grader | Omrører eller røreverk |
| Sparge pipe | 0.1–0.2 m/s | 8–15 grader | Trykkluft |
Strømningsforsterkningsmetoder for viskøse væsker
Reaktorgeometrihensyn
En kjemisk reaktor har ofte en annen geometri enn en pletteringstank. Reaktoren kan være sylindrisk med en kuppelformet topp og bunn, med en sentral agitatoraksel og ledeplater. Den tilgjengelige plassen for en varmeovn er begrenset til det ringformede området mellom røreverket og karveggen.
En buet multi-pass-konfigurasjon som følger karveggen maksimerer overflatearealet innenfor det ringformede rommet. Passene er anordnet i en ring rundt omrøreren, med strømningskanaler mellom dem.
Når en standardvarmer ikke kan brukes
Hvis reaktoren ikke kan romme overflatearealet som kreves for lav watttetthet, er alternativene å redusere wattstyrken, akseptere en kortere levetid eller bruke en alternativ oppvarmingsmetode. En ekstern varmeveksler kan være mer egnet for viskøs bruk fordi den kan gi mer overflate i et mindre volum.
En tilpasset PTFE-dykkvarmerkonfigurasjon med flere gjennomløp, lav watttetthet og strømningsforsterkning er designet for polymerløsninger med høy viskositet. Spesifikasjonsprosessen krever væskeviskositeten ved driftstemperatur, beholderdimensjonene, røreverkstype og hastighet, nødvendig effekt og kravet til temperaturensartethet.
