Viskositetsstraffet
Värmeöverföringsläroböcker ger U-värdeuppskattningar för vatten-liknande vätskor vid måttliga hastigheter. Dessa uppskattningar misslyckas när de tillämpas på hög-viskositetspolymerlösningar-polyvinylalkohol, karboximetylcellulosa eller koncentrerade latexemulsioner-där viskositeterna varierar från 100 till 10 000 centipoise.
I dessa vätskor är Reynolds-talet lågt. Flödet är laminärt. Det termiska gränsskiktet är tjockt. Naturlig konvektion är undertryckt. Den totala värmeöverföringskoefficienten för en PTFE-värmeväxlare kan sjunka till 50-100 W/m²·K-en-tredjedel till en femtedel av de 280 W/m²·K som kan uppnås med vatten.
Att tillämpa en nedstämpningsfaktor på det vattenbaserade-U-värdet är standarddesignmetoden. Men en enda reduktionsfaktor är otillräcklig eftersom viskositeten är temperaturberoende-. Vätskan nära den heta PTFE-ytan har lägre viskositet än bulkvätskan. Detta skapar en själv-förbättrande värmeöverföringseffekt som en enkel konstant reduktionsfaktor inte fångar upp.
Temperaturen-Viskositetsfeedback
Polymerlösningar uppvisar starkt temperatur-viskositetsberoende. En lösning med en viskositet på 1 000 cP vid 25 grader kan ha en viskositet på endast 200 cP vid 60 grader -en femfaldig minskning. När denna vätska kommer i kontakt med en PTFE-rörvägg vid 80-100 grader värms vätskan i gränsskiktet till en temperatur mellan vägg- och bulktemperaturen. Dess viskositet sjunker avsevärt. Den reducerade viskositeten förbättrar värmeöverföringen i förhållande till vad en beräkning med bulktemperaturviskositet skulle förutsäga.
Denna temperatur-viskositetsåterkoppling uppväger delvis det laminära flödesstraffet. En PTFE-värmeväxlare som skulle verka kraftigt underdimensionerad baserat på bulkviskositetsberäkningar kan fungera adekvat eftersom den uppvärmda gränsskiktsvätskan är mycket mindre viskös än vad som antas.
Den korrekta reduktionsfaktorn står för denna effekt. Det är inte en fast multiplikator utan en funktion av viskositets-temperaturförhållandet för den specifika polymerlösningen.
Tabell 1: U-värde deratingfaktorer för PTFE-värmeväxlare i hög-vätskor med hög viskositet
| Bulkvätskeviskositet vid driftstemperatur (cP) | Temperatur-Viskositetskänslighet | Rekommenderat U-värde (W/m²·K) | Nedstämplingsfaktor i förhållande till vatten (280 W/m²·K) | Anteckningar |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (vattenliknande) | Låg | 250-280 | 0.9-1.0 | Försumbar viskositetsstraff |
| 10-50 | Måttlig | 180-240 | 0.65-0.85 | Milda laminära effekter |
| 50-200 | Måttlig-Hög | 120-180 | 0.43-0.65 | Laminärt flöde dominant |
| 200-500 | Hög | 80-130 | 0.29-0.46 | Stark temperatur-viskositetsåterkoppling |
| 500-2,000 | Hög | 60-100 | 0.21-0.36 | Betydande feedback; agitation mycket fördelaktigt |
| 2,000-10,000 | Mycket hög | 40-70 | 0.14-0.25 | Mekanisk agitation väsentlig; naturlig konvektion försumbar |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). För stillastående vätskor, minska U--värdena med 30-50 %.
Agitationsmultiplikatorn
I hög-vätskor är naturlig konvektion svag eller saknas. Värmeöverföring är helt beroende av påtvingad konvektion från mekanisk omrörning. Utan omrörning stagnerar det uppvärmda vätskeskiktet runt PTFE-rören. Värmeöverföringen sjunker till lednings-begränsade hastigheter.
U--värdena i tabellen förutsätter adekvat mekanisk omrörning. För tankar utan mekanisk omrörning bör U--värdena minskas med ytterligare 30-50 %. PTFE-värmeväxlarens design måste inkludera omrörningsspecifikationer som en integrerad del av den termiska dimensioneringen.
För vätskor med viskositeter över 2 000 cP är mekanisk omrörning inte valfri-det är ett krav för att uppnå användbara värmeöverföringshastigheter. Omrörareffekten och pumphjulets design bör specificeras vid sidan av värmeväxlarens yta.
Storleksmarginal för osäkerhet
Viskositetsdata för polymerlösningar mäts ofta vid några diskreta temperaturer och extrapoleras. Extrapoleringen introducerar osäkerhet i beräkningen av U-värde. En konservativ dimensioneringsmarginal på 15-25 % ytterligare ytarea rekommenderas för applikationer där viskositetsdatakvaliteten är osäker.
Ett värmeöverföringstest i -pilotskala med den faktiska processvätskan, om det är möjligt, ger de mest tillförlitliga U-värdedata. Testet använder en liten PTFE-spole nedsänkt i ett prov av processvätskan, med uppmätt värmetillförsel och temperaturrespons. Det resulterande U--värdet skalas till växlaren i full-storlek utan nedsättningsosäkerhet.
Sammanfattning
PTFE-värmeväxlare som arbetar i hög-viskositetspolymerlösningar kräver U--värdesnedsättningsfaktorer på 0,14 till 0,85 i förhållande till vatten-baserade designvärden, beroende på bulkviskositet och temperaturkänslighet. Temperatur-viskositetsåterkopplingseffekten i det uppvärmda gränsskiktet uppväger delvis det laminära flödesstraffet.
Mekanisk omrörning är avgörande för användbar värmeöverföring i vätskor över 500 cP. Storleksmarginaler på 15-25 % svarar för osäkerhet i viskositetsdata. För kritiska applikationer eliminerar värmeöverföringstestning i pilotskala osäkerhet om nedsättning.
Teknisk analys för dimensionering av PTFE-värmeväxlare i specifika applikationer med hög-viskositet är tillgänglig vid inlämning av vätskeviskositet-temperaturdata, driftstemperaturintervall, omrörningsmetod och intensitet samt erforderlig värmebelastning.
