โรงงานเคมีชนิดพิเศษจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่สารละลายโพลีเมอร์ที่มีความหนืดประมาณ 20,000 mPa·s ที่อุณหภูมิใช้งาน เครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ที่มีอยู่เดิมทำงานล้มเหลวหลังจากผ่านไปสี่เดือน ปลอกแสดงแถบที่อ่อนนุ่มและพองตลอดส่วนที่ได้รับความร้อนด้านล่าง และความต้านทานของฉนวนลดลงต่ำกว่า 10 MΩ เครื่องทำความร้อนถูกกำหนดไว้ที่ 1.2 วัตต์/ซม.² ซึ่งเหมาะสมกับน้ำแต่รุนแรงเกินไปสำหรับสารละลายโพลีเมอร์ที่มีความหนืด
ของเหลวที่มีความหนืดสูงถือเป็นความท้าทายขั้นพื้นฐานในการถ่ายเทความร้อน ชั้นขอบเขตความร้อนหนาที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อนจะดักจับความร้อน และอุณหภูมิพื้นผิวเครื่องทำความร้อนจะสูงกว่าอุณหภูมิของเหลวที่เทกองมาก ความหนาแน่นของวัตต์ที่ปลอดภัยจะลดลงตามสัดส่วนกับความหนืด การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้มีพื้นที่ผิวที่ต้องการที่ความหนาแน่นวัตต์ต่ำ และต้องรักษาการไหลที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อนเพื่อลดความหนาของชั้นขอบเขต
ปัญหาการถ่ายเทความร้อนในของเหลวที่มีความหนืดสูง
ในของเหลวที่มีความหนืด 100 เท่าของน้ำ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะอยู่ที่ 10–20% ของค่าน้ำ ความแตกต่างของอุณหภูมิที่จำเป็นในการถ่ายโอนฟลักซ์ความร้อนที่กำหนดจะสูงขึ้นตามลำดับ สำหรับเครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่ 1.0 วัตต์/ซม.² ในของเหลวที่มีความหนืด 100× ช่องว่างอุณหภูมิพื้นผิว-ถึง-มวลสามารถอยู่ที่ 40–60 องศา
อุณหภูมิพื้นผิวที่สูงจะช่วยเร่งการย่อยสลายของ PTFE พอลิเมอร์จะอ่อนตัวลง สูญเสียความเสถียรของมิติ และซึมผ่านได้มากขึ้น เครื่องทำความร้อนล้มเหลวจากภายนอกเข้า
| ความหนืดของของไหล | สัมพันธ์กับน้ำ | ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน | พื้นผิว ΔT ที่ 1.0 วัตต์/ซม.² | ความหนาแน่นวัตต์ที่ปลอดภัย |
|---|---|---|---|---|
| น้ำ | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 องศา | 1.5–2.0 วัตต์/ซม.² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 องศา | 1.0–1.3 วัตต์/ซม.² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 องศา | 0.6–0.9 วัตต์/ซม.² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 องศา | 0.4–0.6 วัตต์/ซม.² |
การถ่ายเทความร้อนและความหนาแน่นของวัตต์ที่ปลอดภัยสำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูง
การกำหนดค่าหลายช่อง-
การกำหนดค่าหลาย-ผ่านจะกระจายพื้นผิวทำความร้อนไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ ช่วยลดความหนาแน่นของวัตต์ต่อหน่วยพื้นที่ ช่องทางผ่านถูกจัดเรียงเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวให้สูงสุดภายในปริมาตรถังที่มีอยู่ และเพื่อให้สามารถไหลระหว่างท่อเหล่านั้นได้
สำหรับหน้าที่ 6 kW ที่ 0.7 W/cm² พื้นที่ผิวที่ต้องการคือ 8,571 cm² เครื่องทำความร้อนแบบหลาย-ที่มีปลอกเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. และแปดรอบ 700 มม. แต่ละรอบ ให้พื้นที่ประมาณ 8,796 ซม.²- เพียงพอสำหรับการปฏิบัติหน้าที่ บัตรผ่านมีระยะห่างระหว่างกัน 40–50 มม. เพื่อให้มีการไหลระหว่างบัตรเหล่านั้น
| วัตต์ | ความหนาแน่นวัตต์ที่ปลอดภัย | พื้นที่ผิวที่ต้องการ | ผ่านที่ฝัก 50 มม | ความยาวผ่าน | ผ่านการเว้นวรรค |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 กิโลวัตต์ | 0.7 วัตต์/ซม.² | 4,286 ตร.ซม | 4 | 700 มม | 40 มม |
| 4 กิโลวัตต์ | 0.7 วัตต์/ซม.² | 5,714 ตร.ซม | 5 | 700 มม | 40 มม |
| 5 กิโลวัตต์ | 0.7 วัตต์/ซม.² | 7,143 ตร.ซม | 7 | 700 มม | 45 มม |
| 6 กิโลวัตต์ | 0.7 วัตต์/ซม.² | 8,571 ตร.ซม | 8 | 700 มม | 45 มม |
| 8 กิโลวัตต์ | 0.7 วัตต์/ซม.² | 11,429 ตร.ซม | 10 | 700 มม | 50 มม |
การกำหนดค่าหลาย-ผ่านสำหรับสารละลายโพลีเมอร์ความหนืดสูง
การเพิ่มการไหลสำหรับของเหลวหนืด
การกำหนดค่าหลาย-ผ่านเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอในของเหลวหนืด ต้องรักษาการไหลที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อนเพื่อลดความหนาของชั้นขอบเขต ท่อนำไฟฟ้าเฉพาะหรือปั๊มหมุนเวียนขนาดเล็กสามารถไหลผ่านทางผ่านได้โดยตรง
ความเร็วเฉพาะที่ 0.3–0.5 m/s นั้นเพียงพอที่จะลดความหนาของชั้นขอบเขตและลดอุณหภูมิพื้นผิวลง 15–25 องศา การไหลไม่จำเป็นต้องแรง-แต่ต้องมุ่งตรงไปที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อน
| วิธีการเสริมการไหล | ความเร็วท้องถิ่น | การลดพื้นผิว ΔT | การนำไปปฏิบัติ |
|---|---|---|---|
| ตัวเหนี่ยวนำและเครื่องทำความร้อน | 0.3–0.5 m/s | 15–25 องศา | ปั๊มขนาดเล็กหรือลมอัด |
| วงเวียนหมุนเวียน | 0.4–0.6 m/s | 20–30 องศา | ปั๊มและท่อ |
| ความปั่นป่วนทางกล | 0.2–0.4 m/s | 10–20 องศา | เครื่องกวนหรือเครื่องกวน |
| ท่อสแปร์จ | 0.1–0.2 m/s | 8–15 องศา | อากาศอัด |
วิธีการเพิ่มการไหลสำหรับของเหลวหนืด
ข้อควรพิจารณาเรขาคณิตของเครื่องปฏิกรณ์
เครื่องปฏิกรณ์เคมีมักจะมีรูปทรงที่แตกต่างจากถังชุบ เครื่องปฏิกรณ์อาจเป็นทรงกระบอกที่มีโดมด้านบนและด้านล่าง พร้อมด้วยแกนเครื่องกวนกลางและแผ่นกั้น พื้นที่ว่างสำหรับเครื่องทำความร้อนนั้นจำกัดอยู่ที่บริเวณวงแหวนระหว่างเครื่องกวนและผนังถัง
การกำหนดค่าหลายช่องโค้ง-ที่ตามผนังภาชนะจะเพิ่มพื้นที่ผิวภายในพื้นที่วงแหวนให้สูงสุด ทางเดินจะถูกจัดเรียงเป็นวงแหวนรอบเครื่องกวน โดยมีช่องทางการไหลอยู่ระหว่างทั้งสอง
เมื่อไม่สามารถใช้เครื่องทำความร้อนมาตรฐานได้
หากเครื่องปฏิกรณ์ไม่สามารถรองรับพื้นที่ผิวที่จำเป็นสำหรับความหนาแน่นของวัตต์ต่ำ ทางเลือกคือลดกำลังไฟ ยอมรับอายุการใช้งานที่สั้นลง หรือใช้วิธีการทำความร้อนแบบอื่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอกอาจเหมาะสมกับการใช้งานที่มีความหนืดมากกว่า เนื่องจากสามารถให้พื้นที่ผิวได้มากกว่าในปริมาตรที่น้อยกว่า
การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE แบบกำหนดเองที่มีหลายรอบ ความหนาแน่นวัตต์ต่ำ และการเพิ่มการไหล ได้รับการออกแบบมาสำหรับสารละลายโพลีเมอร์ที่มีความหนืดสูง กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้ความหนืดของของไหลที่อุณหภูมิใช้งาน ขนาดของภาชนะ ประเภทและความเร็วของเครื่องกวน จำนวนวัตต์ที่ต้องการ และข้อกำหนดด้านความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ
