Posebna kemična tovarna je potrebovala segrevanje raztopine polimera z viskoznostjo približno 20.000 mPa·s pri delovni temperaturi. Obstoječi PTFE potopni grelnik je po štirih mesecih odpovedal. Ovoj je pokazal mehak pas z mehurčki vzdolž spodnjega ogrevanega dela, izolacijska upornost pa je padla pod 10 MΩ. Grelec je bil določen na 1,2 W/cm², kar je bilo primerno za vodo, vendar preveč agresivno za raztopino viskoznega polimera.
Tekočine z visoko viskoznostjo predstavljajo temeljni izziv pri prenosu toplote. Debela toplotna mejna plast na površini grelnika zadržuje toploto in temperatura površine grelnika se dvigne daleč nad temperaturo tekočine v razsutem stanju. Varna vatna gostota pada sorazmerno z viskoznostjo. Konfiguracija grelnika mora biti zasnovana tako, da zagotavlja zahtevano površino pri nizki vatni gostoti, pretok na površini grelnika pa mora biti vzdrževan, da se zmanjša debelina mejne plasti.
Problem prenosa toplote v tekočinah z visoko viskoznostjo
V tekočini z viskoznostjo, ki je 100-krat večja od viskoznosti vode, je koeficient konvekcijskega prenosa toplote 10–20 % vrednosti vode. Temperaturna razlika, ki je potrebna za prenos danega toplotnega toka, je ustrezno večja. Pri grelniku, ki deluje pri 1,0 W/cm² v tekočini s 100 × viskoznostjo, je lahko temperaturna vrzel med površino-in-razsutnostjo 40–60 stopinj.
Visoka površinska temperatura pospeši razgradnjo PTFE. Polimer se zmehča, izgubi dimenzijsko stabilnost in postane bolj prepusten. Grelec odpove od zunaj navznoter.
| Viskoznost tekočine | Glede na vodo | Konvekcijski koeficient | Površinski ΔT pri 1,0 W/cm² | Varna vatna gostota |
|---|---|---|---|---|
| voda | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 stopinj | 1,5–2,0 W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 stopinj | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 stopinj | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 stopinj | 0,4–0,6 W/cm² |
Prenos toplote in varna vatna gostota za tekočine z visoko viskoznostjo
Multi{0}}konfiguracija prehoda
Več{0}}prehodna konfiguracija porazdeli grelno površino po večjem območju, kar zmanjša gostoto vatov na enoto površine. Prehodi so razporejeni tako, da povečajo površino znotraj razpoložljive prostornine posode in omogočijo pretok med njimi.
Za delovanje 6 kW pri 0,7 W/cm² je zahtevana površina 8571 cm². Več{5}}grelnik s premerom plašča 50 mm in osmimi prehodi po 700 mm zagotavlja približno 8.796 cm²-dovolj za delovanje. Prehodi so razmaknjeni 40–50 mm narazen, da se omogoči pretok med njimi.
| Moč | Varna vatna gostota | Zahtevana površina | Prehaja na 50 mm plašč | Dolžina prehoda | Pass Spacing |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Več{0}}konfiguracije za polimerne raztopine z visoko viskoznostjo
Povečanje pretoka za viskozne tekočine
Pri viskozni tekočini samo-konfiguracija z več prehodi ne zadostuje. Pretok na površini grelnika je treba vzdrževati, da se zmanjša debelina mejne plasti. Namenski eduktor ali majhna obtočna črpalka lahko usmeri tok čez prehode.
Lokalna hitrost 0,3–0,5 m/s zadostuje za zmanjšanje debeline mejne plasti in znižanje površinske temperature za 15–25 stopinj. Ni nujno, da je tok močan-mora biti usmerjen na površino grelnika.
| Metoda povečanja pretoka | Lokalna hitrost | Površinsko zmanjšanje ΔT | Izvedba |
|---|---|---|---|
| Eduktor pri grelniku | 0.3–0.5 m/s | 15-25 stopinj | Majhna črpalka ali stisnjen zrak |
| Recirkulacijska zanka | 0.4–0.6 m/s | 20-30 stopinj | Črpalka in cevovod |
| Mehansko mešanje | 0.2–0.4 m/s | 10-20 stopinj | Mešalo ali mešalo |
| Razvodnična cev | 0.1–0.2 m/s | 8-15 stopinj | Stisnjen zrak |
Metode povečanja pretoka za viskozne tekočine
Premisleki o geometriji reaktorja
Kemični reaktor ima pogosto drugačno geometrijo kot rezervoar za prevleko. Reaktor je lahko cilindričen s kupolastim vrhom in dnom, z osrednjo mešalno gredjo in loputami. Razpoložljivi prostor za grelec je omejen na obročasto območje med mešalom in steno posode.
Ukrivljena več{0}}prehodna konfiguracija, ki sledi steni posode, poveča površino znotraj obročastega prostora. Prehodi so razporejeni v obroču okoli mešala, med njimi pa so pretočni kanali.
Ko standardnega grelnika ni mogoče uporabiti
Če reaktor ne more prilagoditi površine, potrebne za nizko vatno gostoto, so možnosti zmanjšanje moči, sprejetje krajše življenjske dobe ali uporaba alternativne metode ogrevanja. Zunanji izmenjevalnik toplote je morda bolj primeren za viskozno delovanje, ker lahko zagotovi večjo površino pri manjši prostornini.
Konfiguracija potopnega grelnika iz PTFE po meri z več prehodi, nizko gostoto vatov in povečanjem pretoka je zasnovana za raztopine polimerov z visoko viskoznostjo. Postopek specifikacije zahteva viskoznost tekočine pri delovni temperaturi, dimenzije posode, vrsto in hitrost mešala, zahtevano moč in zahtevo glede enakomernosti temperature.
