Viskositetsstraffen
Varmeoverførselslærebøger giver U-værdiestimater for vand-lignende væsker ved moderate hastigheder. Disse estimater mislykkes, når de anvendes på polymeropløsninger med høj-viskositet-polyvinylalkohol, carboxymethylcellulose eller koncentrerede latexemulsioner-hvor viskositeter varierer fra 100 til 10.000 centipoise.
I disse væsker er Reynolds-tallet lavt. Flow er laminært. Det termiske grænselag er tykt. Naturlig konvektion undertrykkes. Den samlede varmeoverførselskoefficient for en PTFE-varmeveksler kan falde til 50-100 W/m²·K-en-tredjedel til en femtedel af de 280 W/m²·K, der kan opnås med vand.
Anvendelse af en deratingfaktor på den vand-baserede U-værdi er standarddesignmetoden. Men en enkelt nedsættelsesfaktor er utilstrækkelig, fordi viskositeten er temperatur-afhængig. Væsken nær den varme PTFE-overflade har lavere viskositet end bulkvæsken. Dette skaber en selv-forstærkende varmeoverførselseffekt, som en simpel konstant deratingfaktor ikke fanger.
Temperaturen-Viskositetsfeedback
Polymeropløsninger udviser stærk temperatur-viskositetsafhængighed. En opløsning med en viskositet på 1.000 cP ved 25 grader kan have en viskositet på kun 200 cP ved 60 grader -en femdobling. Når denne væske kommer i kontakt med en PTFE-rørvæg ved 80-100 grader, opvarmes væsken i grænselaget til en temperatur mellem væg- og bulktemperaturen. Dens viskositet falder betydeligt. Den reducerede viskositet forbedrer varmeoverførslen i forhold til, hvad en beregning ved brug af bulk-temperaturviskositet ville forudsige.
Denne temperatur-viskositetsfeedback opvejer delvist den laminære flowstraf. En PTFE-varmeveksler, der ser ud til at være meget underdimensioneret baseret på bulkviskositetsberegninger, kan fungere tilstrækkeligt, fordi den opvarmede grænselagsvæske er meget mindre viskøs end antaget.
Den korrekte deratingfaktor forklarer denne effekt. Det er ikke en fast multiplikator, men en funktion af viskositets-temperaturforholdet for den specifikke polymeropløsning.
Tabel 1: U-Værdi deratingfaktorer for PTFE-varmevekslere i væsker med høj-viskositet
| Bulkvæskeviskositet ved driftstemperatur (cP) | Temperatur-Viskositetsfølsomhed | Anbefalet U-værdi (W/m²·K) | Reduktionsfaktor i forhold til vand (280 W/m²·K) | Noter |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (vandlignende) | Lav | 250-280 | 0.9-1.0 | Ubetydelig viskositetsstraf |
| 10-50 | Moderat | 180-240 | 0.65-0.85 | Milde laminære effekter |
| 50-200 | Moderat-Høj | 120-180 | 0.43-0.65 | Laminært flow dominant |
| 200-500 | Høj | 80-130 | 0.29-0.46 | Stærk temperatur-viskositetsfeedback |
| 500-2,000 | Høj | 60-100 | 0.21-0.36 | Betydelig feedback; agitation yderst gavnlig |
| 2,000-10,000 | Meget høj | 40-70 | 0.14-0.25 | Mekanisk omrøring afgørende; naturlig konvektion ubetydelig |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). For stadige væsker reduceres U-værdierne med 30-50 %.
Agitationsmultiplikatoren
I væsker med høj-viskositet er naturlig konvektion svag eller fraværende. Varmeoverførsel afhænger udelukkende af tvungen konvektion fra mekanisk omrøring. Uden omrøring stagnerer det opvarmede væskelag omkring PTFE-rørene. Varmeoverførsel falder til lednings-begrænsede hastigheder.
U--værdierne i tabellen forudsætter tilstrækkelig mekanisk omrøring. For tanke uden mekanisk omrøring bør U--værdierne reduceres med yderligere 30-50 %. PTFE-varmevekslerdesignet skal omfatte omrøringsspecifikationer som en integreret del af den termiske dimensionering.
For væsker med viskositeter over 2.000 cP er mekanisk omrøring ikke valgfri-det er et krav for at opnå nyttige varmeoverførselshastigheder. Omrørerens effekt og pumpehjulsdesign skal specificeres ved siden af varmevekslerens overfladeareal.
Størrelsesmargin for usikkerhed
Viskositetsdata for polymeropløsninger måles ofte ved nogle få diskrete temperaturer og ekstrapoleres. Ekstrapoleringen introducerer usikkerhed i U-værdiberegningen. En konservativ dimensioneringsmargin på 15-25 % yderligere overfladeareal anbefales til applikationer, hvor viskositetsdatakvaliteten er usikker.
En pilot-skala varmeoverførselstest med den faktiske procesvæske, hvis det er muligt, giver de mest pålidelige U-værdidata. Testen bruger en lille PTFE-spole nedsænket i en prøve af procesvæsken med målt varmetilførsel og temperaturrespons. Den resulterende U-værdi skaleres til veksleren i fuld-størrelse uden derating-usikkerhed.
Oversigt
PTFE-varmevekslere, der fungerer i polymerløsninger med høj-viskositet, kræver U--værdi-nedsættelsesfaktorer på 0,14 til 0,85 i forhold til vand-baserede designværdier, afhængigt af bulkviskositet og temperaturfølsomhed. Temperatur-viskositetsfeedback-effekten i det opvarmede grænselag opvejer delvist den laminære strømningsstraf.
Mekanisk omrøring er afgørende for nyttig varmeoverførsel i væsker over 500 cP. Størrelsesmargener på 15-25 % tegner sig for viskositetsdatausikkerhed. Til kritiske applikationer eliminerer varmeoverførselstest i pilotskala usikkerhed om reduktion.
Teknisk analyse for PTFE-varmevekslerstørrelser i specifikke applikationer med høj-viskositet er tilgængelig ved indsendelse af væskeviskositet-temperaturdata, driftstemperaturområde, omrøringsmetode og -intensitet og påkrævet varmebelastning.
