Kazna viskoznosti
Udžbenici za prijenos topline daju U-procjene vrijednosti za vodu-poput fluida pri umjerenim brzinama. Ove procjene ne uspijevaju kada se primjenjuju na otopine polimera visokog -viskoziteta-polivinil alkohola, karboksimetil celuloze ili koncentrisane lateks emulzije- gdje se viskoznosti kreću od 100 do 10.000 centipoise.
U ovim tečnostima, Reynoldsov broj je nizak. Protok je laminaran. Termički granični sloj je debeo. Prirodna konvekcija je potisnuta. Ukupni koeficijent prijenosa topline za PTFE izmjenjivač topline može pasti na 50-100 W/m²·K-jednu-trećinu do jedne petine od 280 W/m²·K koji se mogu postići vodom.
Primjena faktora smanjenja vrijednosti na U-vrijednost na bazi vode je standardni pristup dizajnu. Ali jedan faktor smanjenja vrijednosti nije dovoljan jer viskoznost zavisi od temperature-. Tečnost u blizini vruće PTFE površine ima niži viskozitet od tečnosti u rasutom stanju. Ovo stvara samopojačavajući efekat prijenosa topline koji jednostavno konstantno smanjenje faktora ne bilježi.
Povratne informacije o temperaturi{0}}viskoznosti
Otopine polimera pokazuju jaku temperaturnu{0}}viskoznu zavisnost. Rješenje sa viskozitetom od 1000 cP na 25 stepeni može imati viskozitet od samo 200 cP na 60 stepeni -petostruko smanjenje. Kada ova tekućina dođe u kontakt sa zidom PTFE cijevi na 80-100 stepeni, fluid u graničnom sloju se zagrijava na temperaturu između temperature zida i mase. Njegov viskozitet značajno opada. Smanjena viskoznost poboljšava prijenos topline u odnosu na ono što bi proračun koji koristi viskozitet na velikoj temperaturi predvidio.
Ova povratna informacija o temperaturi{0}}viskoznosti djelimično kompenzira kaznu laminarnog toka. PTFE izmjenjivač topline koji bi se na osnovu proračuna viskoznosti u rasutom stanju činio jako manjim, može biti adekvatan jer je zagrijani fluid graničnog sloja mnogo manje viskozan nego što se pretpostavlja.
Ispravan faktor smanjenja vrijednosti uzima u obzir ovaj efekat. To nije fiksni množitelj, već funkcija odnosa viskoziteta-temperature specifične otopine polimera.
Tabela 1: U-Faktori smanjenja vrijednosti za PTFE izmjenjivače topline u fluidima visokog-viskoziteta
| Viskozitet rasute tekućine pri radnoj temperaturi (cP) | Temperaturna{0}}Osjetljivost na viskozitet | Preporučena U-vrijednost (W/m²·K) | Faktor smanjenja vrijednosti u odnosu na vodu (280 W/m²·K) | Bilješke |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (poput vode) | Nisko | 250-280 | 0.9-1.0 | Zanemarljiva kazna viskoznosti |
| 10-50 | Umjereno | 180-240 | 0.65-0.85 | Blagi laminarni efekti |
| 50-200 | Umjereno-Visoka | 120-180 | 0.43-0.65 | Dominantan laminarni tok |
| 200-500 | Visoko | 80-130 | 0.29-0.46 | Jaka povratna informacija o{0}}viskoznosti temperature |
| 500-2,000 | Visoko | 60-100 | 0.21-0.36 | Značajne povratne informacije; agitacija veoma korisna |
| 2,000-10,000 | Vrlo visoko | 40-70 | 0.14-0.25 | Bitno je mehaničko miješanje; prirodna konvekcija zanemarljiva |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Za mirne tečnosti, smanjite U-vrijednosti za 30-50%.
Multiplikator agitacije
U tečnostima visokog{0}}viskoziteta prirodna konvekcija je slaba ili je nema. Prijenos topline se u potpunosti oslanja na prisilnu konvekciju od mehaničkog miješanja. Bez miješanja, zagrijani sloj fluida oko PTFE cijevi stagnira. Prijenos topline pada na ograničene brzine{4}}provodljivosti.
U-vrijednosti u tabeli pretpostavljaju adekvatno mehaničko miješanje. Za rezervoare bez mehaničkog miješanja, U-vrijednosti treba smanjiti za dodatnih 30-50%. Dizajn PTFE izmjenjivača topline mora uključivati specifikacije za miješanje kao sastavni dio termičkog dimenzioniranja.
Za fluide viskoziteta iznad 2000 cP, mehaničko miješanje nije opciono-već je preduvjet za postizanje korisnih brzina prijenosa topline. Snaga miješalice i dizajn radnog kola trebaju biti specificirani uz površinu izmjenjivača topline.
Margina veličine za nesigurnost
Podaci o viskoznosti za polimerne otopine često se mjere na nekoliko diskretnih temperatura i ekstrapoliraju. Ekstrapolacija unosi nesigurnost u izračunavanje U-vrijednosti. Konzervativna margina veličine od 15-25% dodatne površine preporučuje se za primjene gdje je kvalitet podataka o viskoznosti neizvjestan.
Pilot-test prijenosa topline sa stvarnim procesnim fluidom, ako je izvodljivo, pruža najpouzdanije podatke o vrijednosti U-. Test koristi mali PTFE kalem uronjen u uzorak procesnog fluida, sa izmerenim unosom toplote i temperaturnim odzivom. Rezultirajuća U-vrijednost je skalirana na punu veličinu-izmjenjivača bez smanjenja nesigurnosti.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline koji rade u visoko-viskoznim polimernim otopinama zahtijevaju faktore smanjenja vrijednosti U-od 0,14 do 0,85 u odnosu na projektne vrijednosti zasnovane na vodi-u zavisnosti od viskoziteta u masi i temperaturne osjetljivosti. Efekat povratne informacije o temperaturi{6}}viskoznosti u zagrijanom graničnom sloju djelimično kompenzira kaznu laminarnog toka.
Mehaničko mešanje je neophodno za koristan prenos toplote u fluidima iznad 500 cP. Marge veličine od 15-25% predstavljaju nesigurnost podataka o viskoznosti. Za kritične aplikacije, testiranje prenosa toplote na pilot skali eliminiše nesigurnost smanjenja snage.
Inženjerska analiza za dimenzioniranje PTFE izmjenjivača topline u specifičnim aplikacijama visokog{0}}viskoziteta dostupna je nakon podnošenja podataka o temperaturi viskoziteta- fluida, opsegu radne temperature, metodi i intenzitetu miješanja i potrebnom toplotnom radu.
