На спеціальному хімічному заводі потрібно було нагріти розчин полімеру з в’язкістю приблизно 20 000 мПа·с при робочій температурі. Існуючий занурювальний нагрівач з PTFE вийшов з ладу через чотири місяці. На оболонці була м’яка смуга з пухирями вздовж нижньої нагрітої секції, а опір ізоляції впав нижче 10 МОм. Нагрівач був визначений на рівні 1,2 Вт/см², що було прийнятно для води, але надто агресивно для в’язкого полімерного розчину.
Рідини з високою в'язкістю представляють фундаментальну проблему теплопередачі. Товстий тепловий прикордонний шар на поверхні нагрівача затримує тепло, і температура поверхні нагрівача підвищується набагато вище температури об’ємної рідини. Безпечна щільність падає пропорційно в'язкості. Конфігурація нагрівача повинна бути розроблена так, щоб забезпечити необхідну площу поверхні при низькій щільності ват, і потік на поверхні нагрівача повинен підтримуватися для зменшення товщини граничного шару.
Проблема теплопередачі в рідинах з високою в'язкістю
У рідині, в’язкість якої в 100 разів перевищує в’язкість води, коефіцієнт конвективної теплопередачі становить 10–20 % від значення води. Різниця температур, необхідна для передачі даного теплового потоку, відповідно, більша. Для нагрівача, що працює при 1,0 Вт/см² у рідині з в’язкістю 100x, температурний розрив між поверхнею- та -об’ємом може становити 40–60 градусів.
Висока температура поверхні прискорює деградацію PTFE. Полімер розм'якшується, втрачає стабільність розмірів і стає більш проникним. Обігрівач виходить з ладу ззовні всередину.
| В'язкість рідини | Відносно Води | Конвективний коефіцієнт | Поверхня ΔT при 1,0 Вт/см² | Безпечна щільність |
|---|---|---|---|---|
| вода | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 градусів | 1,5–2,0 Вт/см² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 градусів | 1,0–1,3 Вт/см² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 градусів | 0,6–0,9 Вт/см² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 градусів | 0,4–0,6 Вт/см² |
Теплопередача та безпечна щільність ват для рідин з високою в'язкістю
Багатопрохідна конфігурація-
Багато{0}}конфігурація розподіляє поверхню нагріву по більшій площі, зменшуючи щільність ват на одиницю площі. Проходи розташовані так, щоб максимізувати площу поверхні в межах доступного об’єму посудини та забезпечити потік між ними.
Для навантаження 6 кВт і 0,7 Вт/см² необхідна площа поверхні становить 8571 см². Багатопрохідний нагрівач із діаметром оболонки 50 мм і вісьмома проходами по 700 мм забезпечує приблизно 8796 см²-достатньо для роботи. Протоки розташовані на відстані 40–50 мм одна від одної, щоб забезпечити потік між ними.
| Потужність | Безпечна щільність | Необхідна площа поверхні | Проходить на 50 мм оболонки | Довжина пропуску | Пропускний інтервал |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 кВт | 0,7 Вт/см² | 4286 см² | 4 | 700 мм | 40 мм |
| 4 кВт | 0,7 Вт/см² | 5714 см² | 5 | 700 мм | 40 мм |
| 5 кВт | 0,7 Вт/см² | 7143 см² | 7 | 700 мм | 45 мм |
| 6 кВт | 0,7 Вт/см² | 8571 см² | 8 | 700 мм | 45 мм |
| 8 кВт | 0,7 Вт/см² | 11429 см² | 10 | 700 мм | 50 мм |
Багатопрохідні конфігурації для полімерних розчинів високої в’язкості
Збільшення потоку для в'язких рідин
Для в’язкої рідини лише багатопрохідна конфігурація недостатня. Необхідно підтримувати потік на поверхні нагрівача, щоб зменшити товщину прикордонного шару. Спеціальний ежектор або невеликий рециркуляційний насос може направляти потік через проходи.
Локальна швидкість 0,3–0,5 м/с достатня для зменшення товщини прикордонного шару та зниження температури поверхні на 15–25 градусів. Потік не обов’язково має бути сильним-він має бути спрямований на поверхню нагрівача.
| Метод збільшення потоку | Місцева швидкість | Зменшення поверхні ΔT | Реалізація |
|---|---|---|---|
| Едуктор на обігрівач | 0.3–0.5 m/s | 15-25 градусів | Невеликий насос або стиснене повітря |
| Рециркуляційний контур | 0.4–0.6 m/s | 20-30 градусів | Насос і трубопроводи |
| Механічне перемішування | 0.2–0.4 m/s | 10-20 градусів | Мішалка або мішалка |
| Газовідвідна труба | 0.1–0.2 m/s | 8-15 градусів | Стиснене повітря |
Методи посилення потоку в'язких рідин
Розгляд геометрії реактора
Хімічний реактор часто має іншу геометрію, ніж резервуар для покриття. Реактор може бути циліндричним з куполоподібною верхньою і нижньою сторонами, з центральним валом мішалки і перегородками. Доступний простір для нагрівача обмежений кільцевою областю між мішалкою та стінкою посудини.
Вигнута багатопрохідна конфігурація, яка повторює стінку судини, збільшує площу поверхні всередині кільцевого простору. Проходи розташовані кільцем навколо мішалки, між ними є проточні канали.
Коли стандартний обігрівач не можна використовувати
Якщо реактор не може вмістити площу поверхні, необхідну для низької щільності ват, можливі варіанти: зменшити потужність, прийняти менший термін служби або використати альтернативний метод нагрівання. Зовнішній теплообмінник може бути більш придатним для в’язкої роботи, оскільки він може забезпечити більшу площу поверхні при меншому об’ємі.
Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача PTFE з кількома проходами, низькою щільністю ват і збільшенням потоку розроблена для полімерних розчинів високої в’язкості. Процес специфікації вимагає в’язкості рідини при робочій температурі, розмірів посудини, типу та швидкості мішалки, необхідної потужності та вимоги до рівномірності температури.
