Viskositetsstraffen
Lærebøker om varmeoverføring gir U-verdianslag for vann-lignende væsker ved moderate hastigheter. Disse estimatene mislykkes når de brukes på polymerløsninger med høy-viskositet-polyvinylalkohol, karboksymetylcellulose eller konsentrerte lateksemulsjoner-der viskositeter varierer fra 100 til 10 000 centipoise.
I disse væskene er Reynolds-tallet lavt. Strømningen er laminær. Det termiske grenselaget er tykt. Naturlig konveksjon undertrykkes. Den totale varmeoverføringskoeffisienten for en PTFE-varmeveksler kan falle til 50-100 W/m²·K-en-tredjedel til en femtedel av de 280 W/m²·K som kan oppnås med vann.
Å bruke en reduksjonsfaktor på den vannbaserte-U-verdien er standard designtilnærming. Men en enkelt reduksjonsfaktor er utilstrekkelig fordi viskositeten er temperatur-avhengig. Væsken nær den varme PTFE-overflaten har lavere viskositet enn bulkvæsken. Dette skaper en selv-forsterkende varmeoverføringseffekt som en enkel konstant reduksjonsfaktor ikke fanger opp.
Temperaturen-Viskositetsfeedback
Polymerløsninger viser sterk temperatur-viskositetsavhengighet. En løsning med en viskositet på 1000 cP ved 25 grader kan ha en viskositet på bare 200 cP ved 60 grader -en femdobling. Når denne væsken kommer i kontakt med en PTFE-rørvegg ved 80-100 grader, varmes væsken i grenselaget opp til en temperatur mellom vegg- og bulktemperaturen. Dens viskositet synker betydelig. Den reduserte viskositeten forbedrer varmeoverføringen i forhold til hva en beregning ved bruk av bulk-temperaturviskositet ville forutsi.
Denne temperatur-viskositetstilbakemeldingen oppveier delvis straffen for laminær flyt. En PTFE-varmeveksler som vil virke sterkt underdimensjonert basert på bulkviskositetsberegninger kan fungere tilstrekkelig fordi den oppvarmede grenselagsvæsken er mye mindre viskøs enn antatt.
Riktig reduksjonsfaktor står for denne effekten. Det er ikke en fast multiplikator, men en funksjon av viskositet-temperaturforholdet til den spesifikke polymerløsningen.
Tabell 1: U-verdideratingfaktorer for PTFE-varmevekslere i væsker med høy-viskositet
| Bulkvæskeviskositet ved driftstemperatur (cP) | Temperatur-Viskositetsfølsomhet | Anbefalt U-verdi (W/m²·K) | Reduksjonsfaktor i forhold til vann (280 W/m²·K) | Notater |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (vannlignende) | Lav | 250-280 | 0.9-1.0 | Ubetydelig viskositetsstraff |
| 10-50 | Moderat | 180-240 | 0.65-0.85 | Milde laminære effekter |
| 50-200 | Moderat-Høy | 120-180 | 0.43-0.65 | Laminær flyt dominant |
| 200-500 | Høy | 80-130 | 0.29-0.46 | Sterk temperatur-viskositetstilbakemelding |
| 500-2,000 | Høy | 60-100 | 0.21-0.36 | Betydelig tilbakemelding; agitasjon svært gunstig |
| 2,000-10,000 | Veldig høy | 40-70 | 0.14-0.25 | Mekanisk agitasjon viktig; naturlig konveksjon ubetydelig |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Reduser U--verdiene med 30–50 % for stillestående væsker.
Agitasjonsmultiplikatoren
I væsker med høy-viskositet er naturlig konveksjon svak eller fraværende. Varmeoverføring er helt avhengig av tvungen konveksjon fra mekanisk omrøring. Uten omrøring stagnerer det oppvarmede væskelaget rundt PTFE-rørene. Varmeoverføring faller til lednings-begrensede hastigheter.
U--verdiene i tabellen forutsetter tilstrekkelig mekanisk omrøring. For tanker uten mekanisk omrøring bør U--verdiene reduseres med ytterligere 30-50 %. PTFE-varmevekslerdesignet må inkludere omrøringsspesifikasjoner som en integrert del av den termiske dimensjoneringen.
For væsker med viskositeter over 2000 cP er mekanisk omrøring ikke valgfritt-det er et krav for å oppnå nyttige varmeoverføringshastigheter. Røreverkseffekten og impellerdesignet bør spesifiseres ved siden av varmevekslerens overflate.
Dimensjoneringsmargin for usikkerhet
Viskositetsdata for polymerløsninger måles ofte ved noen få diskrete temperaturer og ekstrapoleres. Ekstrapoleringen introduserer usikkerhet i U-verdiberegningen. En konservativ dimensjoneringsmargin på 15-25 % ekstra overflateareal anbefales for applikasjoner hvor viskositetsdatakvaliteten er usikker.
En pilot-skala varmeoverføringstest med den faktiske prosessvæsken, hvis det er mulig, gir de mest pålitelige U-verdidataene. Testen bruker en liten PTFE-spole nedsenket i en prøve av prosessvæsken, med målt varmetilførsel og temperaturrespons. Den resulterende U-verdien skaleres til veksleren i full-størrelse uten reduksjonsusikkerhet.
Sammendrag
PTFE-varmevekslere som opererer i polymerløsninger med høy-viskositet krever U--verdi-nedsettingsfaktorer på 0,14 til 0,85 i forhold til vannbaserte-designverdier, avhengig av bulkviskositet og temperaturfølsomhet. Temperatur-viskositetstilbakemeldingseffekten i det oppvarmede grenselaget oppveier delvis straffen for laminær flyt.
Mekanisk omrøring er avgjørende for nyttig varmeoverføring i væsker over 500 cP. Størrelsesmarginer på 15-25 % står for usikkerhet i viskositetsdata. For kritiske bruksområder eliminerer varmeoverføringstesting i pilotskala usikkerhet om reduksjon.
Teknisk analyse for dimensjonering av PTFE-varmeveksler i spesifikke applikasjoner med høy-viskositet er tilgjengelig ved innsending av væskeviskositet-temperaturdata, driftstemperaturområde, omrøringsmetode og -intensitet, og nødvendig varmebelastning.
