Et specialkemisk anlæg var nødvendigt for at opvarme en polymeropløsning med en viskositet på ca. 20.000 mPa·s ved driftstemperatur. Den eksisterende PTFE el-patron havde svigtet efter fire måneder. Skeden viste et blødt, blæreformet bånd langs den nedre opvarmede sektion, og isolationsmodstanden var faldet til under 10 MΩ. Varmelegemet var blevet specificeret til 1,2 W/cm², hvilket var passende til vand, men alt for aggressivt til den viskøse polymeropløsning.
Højviskositetsvæsker udgør en grundlæggende varmeoverførselsudfordring. Det tykke termiske grænselag ved varmelegemets overflade fanger varme, og varmelegemets overfladetemperatur stiger langt over bulkvæsketemperaturen. Den sikre watt-tæthed falder proportionalt med viskositeten. Varmelegemekonfigurationen skal være designet til at give det nødvendige overfladeareal ved den lave watt-tæthed, og flowet ved varmelegemets overflade skal opretholdes for at reducere grænselagets tykkelse.
Varmeoverførselsproblemet i væsker med høj viskositet
I en væske med en viskositet på 100 gange vands, er den konvektive varmeoverførselskoefficient 10-20 % af vandværdien. Den temperaturforskel, der kræves for at overføre en given varmeflux, er tilsvarende højere. For et varmelegeme, der arbejder ved 1,0 W/cm² i en væske med en viskositet på 100×, kan temperaturgabet mellem overflade- og-masse være 40-60 grader.
Den høje overfladetemperatur fremskynder PTFE-nedbrydning. Polymeren blødgøres, mister dimensionsstabilitet og bliver mere permeabel. Varmeren svigter udefra og ind.
| Væskeviskositet | I forhold til vand | Konvektiv koefficient | Overflade ΔT ved 1,0 W/cm² | Sikker watt-tæthed |
|---|---|---|---|---|
| Vand | 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 |
Varmeoverførsel og sikker watt-densitet til væsker med høj viskositet
Multi-Pass-konfigurationen
En multi-pass-konfiguration fordeler varmeoverfladen over et større område, hvilket reducerer watt-tætheden pr. arealenhed. Passagen er arrangeret for at maksimere overfladearealet inden for det tilgængelige beholdervolumen og for at tillade strømning mellem dem.
For en 6 kW drift ved 0,7 W/cm² er det nødvendige overfladeareal 8.571 cm². En multi-varmer med en kappediameter på 50 mm og otte gange på 700 mm hver giver cirka 8.796 cm²-nok til opgaven. Passagen er placeret med en afstand på 40-50 mm fra hinanden for at tillade strømning mellem dem.
| Watt | Sikker watt-tæthed | Nødvendigt overfladeareal | Passerer ved 50 mm kappe | Afleveringslængde | Afstand mellemrum |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 0,7 W/cm² | 4.286 cm² | 4 | 700 mm | 40 mm |
| 4 kW | 0,7 W/cm² | 5.714 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-konfigurationer til polymerløsninger med høj viskositet
Flowforøgelse for viskøse væsker
En multi-pass-konfiguration alene er ikke tilstrækkelig i en viskøs væske. Strømningen ved varmelegemets overflade skal opretholdes for at reducere grænselagets tykkelse. En dedikeret eduktor eller en lille recirkulationspumpe kan dirigere flowet hen over gennemgangene.
En lokal hastighed på 0,3-0,5 m/s er tilstrækkelig til at reducere grænselagets tykkelse og sænke overfladetemperaturen med 15-25 grader. Strømmen behøver ikke at være kraftig-den skal rettes mod varmelegemets overflade.
| Flowforøgelsesmetode | Lokal hastighed | Overflade ΔT reduktion | Implementering |
|---|---|---|---|
| Pædagog ved varmelegeme | 0.3–0.5 m/s | 15-25 grader | Lille pumpe eller trykluft |
| Recirkulationssløjfe | 0.4–0.6 m/s | 20-30 grader | Pumpe og rør |
| Mekanisk omrøring | 0.2–0.4 m/s | 10-20 grader | Omrører eller omrører |
| Sparge rør | 0.1–0.2 m/s | 8-15 grader | Trykluft |
Flowforøgelsesmetoder til viskøse væsker
Reaktorgeometriske overvejelser
En kemisk reaktor har ofte en anden geometri end en pletteringstank. Reaktoren kan være cylindrisk med en hvælvet top og bund med en central omrøreraksel og ledeplader. Den tilgængelige plads til et varmelegeme er begrænset til det ringformede område mellem omrøreren og beholdervæggen.
En buet multi-pass-konfiguration, der følger karvæggen, maksimerer overfladearealet i det ringformede rum. Passagen er arrangeret i en ring omkring omrøreren med strømningskanaler imellem dem.
Når en standardvarmer ikke kan bruges
Hvis reaktoren ikke kan rumme det overfladeareal, der kræves for lav watt-densitet, er mulighederne at reducere watt, acceptere en kortere levetid eller bruge en alternativ opvarmningsmetode. En ekstern varmeveksler kan være mere egnet til viskøs service, fordi den kan give mere overfladeareal i et mindre volumen.
En tilpasset PTFE-dyppevarmerkonfiguration med flere gennemløb, lav watt-densitet og flowforøgelse er designet til polymerløsninger med høj viskositet. Specifikationsprocessen kræver væskeviskositeten ved driftstemperatur, beholderens dimensioner, omrørertypen og hastigheden, den nødvendige watt og kravet til temperaturensartethed.
