Η ποινή του ιξώδους
Τα εγχειρίδια μεταφοράς θερμότητας παρέχουν εκτιμήσεις U-τιμής για νερό-όπως υγρά σε μέτριες ταχύτητες. Αυτές οι εκτιμήσεις αποτυγχάνουν όταν εφαρμόζονται σε διαλύματα πολυμερών υψηλού-ιξώδους-πολυβινυλικής αλκοόλης, καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης ή συμπυκνωμένων γαλακτωμάτων λατέξ-όπου τα ιξώδη κυμαίνονται από 100 έως 10.000 centipoise.
Σε αυτά τα υγρά, ο αριθμός Reynolds είναι χαμηλός. Η ροή είναι στρωτή. Το θερμικό οριακό στρώμα είναι παχύ. Η φυσική μεταφορά καταστέλλεται. Ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας για έναν εναλλάκτη θερμότητας PTFE μπορεί να πέσει στα 50-100 W/m²·K-το ένα-ένα τρίτο έως το ένα πέμπτο των 280 W/m²·K που επιτυγχάνονται με νερό.
Η εφαρμογή ενός παράγοντα μείωσης στην τιμή U-με βάση το νερό-είναι η τυπική προσέγγιση σχεδιασμού. Αλλά ένας μόνο παράγοντας μείωσης είναι ανεπαρκής επειδή το ιξώδες εξαρτάται από τη θερμοκρασία-. Το ρευστό κοντά στην καυτή επιφάνεια PTFE έχει χαμηλότερο ιξώδες από το χύμα υγρό. Αυτό δημιουργεί ένα αυτο-ενισχυόμενο αποτέλεσμα μεταφοράς θερμότητας που δεν καταγράφει ένας απλός σταθερός παράγοντας μείωσης.
Η Σχόλια για τη θερμοκρασία-Ιξώδες
Τα διαλύματα πολυμερών εμφανίζουν ισχυρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία-το ιξώδες. Ένα διάλυμα με ιξώδες 1.000 cP στους 25 βαθμούς μπορεί να έχει ιξώδες μόνο 200 cP στους 60 βαθμούς -μια πενταπλάσια μείωση. Όταν αυτό το υγρό έρχεται σε επαφή με ένα τοίχωμα σωλήνα PTFE στους 80-100 μοίρες, το ρευστό στο οριακό στρώμα θερμαίνεται σε μια θερμοκρασία μεταξύ του τοιχώματος και της θερμοκρασίας όγκου. Το ιξώδες του πέφτει σημαντικά. Το μειωμένο ιξώδες βελτιώνει τη μεταφορά θερμότητας σε σχέση με αυτό που θα προέβλεπε ένας υπολογισμός με χρήση ιξώδους χύδην θερμοκρασίας.
Αυτή η ανάδραση θερμοκρασίας-ιξώδους αντισταθμίζει εν μέρει την ποινή στρωτής ροής. Ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE που θα φαινόταν πολύ μικρότερος με βάση τους υπολογισμούς του χύδην ιξώδους μπορεί να αποδώσει επαρκώς επειδή το θερμαινόμενο ρευστό οριακής στρώσης είναι πολύ λιγότερο ιξώδες από ό,τι υποτίθεται.
Ο σωστός παράγοντας μείωσης υπολογίζει αυτό το αποτέλεσμα. Δεν είναι σταθερός πολλαπλασιαστής αλλά συνάρτηση της σχέσης ιξώδους-του συγκεκριμένου διαλύματος πολυμερούς.
Πίνακας 1: U-Συντελεστές μείωσης τιμής για εναλλάκτες θερμότητας PTFE σε υγρά υψηλού-ιξώδους
| Ιξώδες μαζικού ρευστού σε θερμοκρασία λειτουργίας (cP) | Θερμοκρασία-Ευαισθησία ιξώδους | Προτεινόμενη τιμή U-(W/m²·K) | Συντελεστής μείωσης σε σχέση με το νερό (280 W/m²·K) | Σημειώσεις |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (σαν νερό) | Χαμηλός | 250-280 | 0.9-1.0 | Αμελητέα ποινή ιξώδους |
| 10-50 | Μέτριος | 180-240 | 0.65-0.85 | Ήπιες στρώσεις |
| 50-200 | Μέτρια-Υψηλή | 120-180 | 0.43-0.65 | Κυρίαρχη η στρωτή ροή |
| 200-500 | Ψηλά | 80-130 | 0.29-0.46 | Σχόλια για ισχυρή θερμοκρασία-ιξώδες |
| 500-2,000 | Ψηλά | 60-100 | 0.21-0.36 | Σημαντική ανατροφοδότηση. ταραχή πολύ ευεργετική |
| 2,000-10,000 | Πολύ ψηλά | 40-70 | 0.14-0.25 | Απαραίτητη η μηχανική ανάδευση. φυσική συναγωγή αμελητέα |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Για ακίνητα υγρά, μειώστε τις τιμές U- κατά 30-50%.
Ο πολλαπλασιαστής ανάδευσης
Σε υγρά υψηλού{0}}ιξώδους, η φυσική μεταφορά είναι ασθενής ή απουσιάζει. Η μεταφορά θερμότητας βασίζεται εξ ολοκλήρου στην εξαναγκασμένη μεταφορά από τη μηχανική ανάδευση. Χωρίς ανάδευση, το θερμαινόμενο υγρό στρώμα γύρω από τους σωλήνες PTFE λιμνάζει. Η μεταφορά θερμότητας πέφτει σε περιορισμένους ρυθμούς αγωγιμότητας-.
Οι τιμές U- στον πίνακα προϋποθέτουν επαρκή μηχανική ανάδευση. Για δεξαμενές χωρίς μηχανική ανάδευση, οι τιμές U{2}}θα πρέπει να μειωθούν κατά 30-50% επιπλέον. Ο σχεδιασμός του εναλλάκτη θερμότητας PTFE πρέπει να περιλαμβάνει προδιαγραφές ανάδευσης ως αναπόσπαστο μέρος του θερμικού μεγέθους.
Για υγρά με ιξώδες άνω των 2.000 cP, η μηχανική ανάδευση δεν είναι προαιρετική-είναι μια απαίτηση για την επίτευξη χρήσιμων ρυθμών μεταφοράς θερμότητας. Η ισχύς του αναδευτήρα και ο σχεδιασμός της πτερωτής πρέπει να προσδιορίζονται παράλληλα με την επιφάνεια του εναλλάκτη θερμότητας.
Περιθώριο μεγέθους για την αβεβαιότητα
Τα δεδομένα ιξώδους για διαλύματα πολυμερών μετρώνται συχνά σε μερικές διακριτές θερμοκρασίες και προεκτίθενται. Η παρέκταση εισάγει αβεβαιότητα στον υπολογισμό της τιμής U-. Συνιστάται ένα συντηρητικό περιθώριο μεγέθους 15-25% επιπλέον επιφάνειας για εφαρμογές όπου η ποιότητα των δεδομένων ιξώδους είναι αβέβαιη.
Μια πιλοτική δοκιμή μεταφοράς θερμότητας-κλίμακας με το πραγματικό ρευστό διεργασίας, εάν είναι εφικτό, παρέχει τα πιο αξιόπιστα δεδομένα U-τιμής. Η δοκιμή χρησιμοποιεί ένα μικρό πηνίο PTFE βυθισμένο σε δείγμα του ρευστού διεργασίας, με μετρημένη εισροή θερμότητας και απόκριση θερμοκρασίας. Η προκύπτουσα τιμή U-κλιμακώνεται στον εναλλάκτη πλήρους-μεγέθους χωρίς υποβάθμιση της αβεβαιότητας.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE που λειτουργούν σε διαλύματα πολυμερών υψηλού-ιξώδους απαιτούν συντελεστές μείωσης τιμής U{{1} από 0,14 έως 0,85 σε σχέση με τις τιμές σχεδιασμού που βασίζονται στο νερό-, ανάλογα με το ιξώδες όγκου και την ευαισθησία στη θερμοκρασία. Το φαινόμενο ανάδρασης θερμοκρασίας-του ιξώδους στο θερμαινόμενο οριακό στρώμα αντισταθμίζει εν μέρει την ποινή στρωτής ροής.
Η μηχανική ανάδευση είναι απαραίτητη για χρήσιμη μεταφορά θερμότητας σε ρευστά άνω των 500 cP. Τα περιθώρια μεγέθους 15-25% ευθύνονται για την αβεβαιότητα των δεδομένων ιξώδους. Για κρίσιμες εφαρμογές, οι δοκιμές μεταφοράς θερμότητας σε πιλοτική κλίμακα εξαλείφουν την υποβάθμιση της αβεβαιότητας.
Η μηχανική ανάλυση για το μέγεθος του εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε συγκεκριμένες εφαρμογές υψηλού-ιξώδους είναι διαθέσιμη με την υποβολή δεδομένων ιξώδους ρευστού-της θερμοκρασίας, του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας, της μεθόδου και της έντασης ανάδευσης και της απαιτούμενης λειτουργίας θερμότητας.
