การลงโทษความหนืด
หนังสือเรียนการถ่ายเทความร้อนให้ค่า U- ค่าประมาณสำหรับน้ำ- เช่น ของเหลวที่ความเร็วปานกลาง ค่าประมาณเหล่านี้ล้มเหลวเมื่อนำไปใช้กับ-สารละลายโพลีเมอร์ความหนืดสูง-โพลีไวนิลแอลกอฮอล์ คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส หรืออิมัลชันลาเท็กซ์เข้มข้น- ซึ่งมีความหนืดตั้งแต่ 100 ถึง 10,000 เซนติพอยซ์
ในของเหลวเหล่านี้ เลขเรย์โนลด์สมีค่าต่ำ การไหลเป็นแบบลามิเนต ชั้นขอบเขตความร้อนมีความหนา การพาความร้อนตามธรรมชาติถูกระงับ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE สามารถลดลงเหลือ 50-100 W/m²·K-หนึ่ง-หนึ่งในสามถึงหนึ่งในห้าของ 280 W/m²·K ที่ได้จากน้ำ
การใช้ปัจจัยลดเรตติ้งกับค่า-ค่า U- ที่ใช้น้ำเป็นแนวทางการออกแบบมาตรฐาน แต่ปัจจัยการลดพิกัดเพียงตัวเดียวนั้นไม่เพียงพอ เนื่องจากความหนืดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ- ของไหลที่อยู่ใกล้พื้นผิว PTFE ที่ร้อนมีความหนืดต่ำกว่าของไหลเทกอง ซึ่งจะสร้างเอฟเฟ็กต์การถ่ายเทความร้อนที่เสริมประสิทธิภาพตัวเอง-โดยที่ปัจจัยการลดพิกัดคงที่อย่างง่ายไม่สามารถจับได้
อุณหภูมิ-การตอบสนองของความหนืด
สารละลายโพลีเมอร์มีอุณหภูมิสูง-ขึ้นอยู่กับความหนืด สารละลายที่มีความหนืด 1,000 cP ที่ 25 องศาอาจมีความหนืดเพียง 200 cP ที่ 60 องศา -ลดลงห้าเท่า เมื่อของไหลนี้สัมผัสกับผนังท่อ PTFE ที่ 80-100 องศา ของไหลในชั้นขอบเขตจะร้อนถึงอุณหภูมิระหว่างผนังกับอุณหภูมิโดยรวม ความหนืดลดลงอย่างมาก ความหนืดที่ลดลงจะช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนเมื่อเทียบกับสิ่งที่การคำนวณโดยใช้ความหนืดของอุณหภูมิรวมคาดการณ์ได้
การตอบสนองของอุณหภูมิ-นี้จะช่วยชดเชยค่าปรับการไหลแบบลามินาร์บางส่วน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่ดูเหมือนจะมีขนาดเล็กลงอย่างมากโดยอิงจากการคำนวณความหนืดจำนวนมากอาจทำงานได้อย่างเหมาะสม เนื่องจากของเหลวในชั้นขอบเขตที่ได้รับความร้อนมีความหนืดน้อยกว่าที่คิดไว้มาก
ปัจจัยการลดอันดับที่ถูกต้องจะคำนึงถึงผลกระทบนี้ ไม่ใช่ตัวคูณคงที่ แต่เป็นฟังก์ชันของความสัมพันธ์ระหว่างความหนืด-กับอุณหภูมิของสารละลายโพลีเมอร์จำเพาะ
ตารางที่ 1: U-ปัจจัยการลดมูลค่าสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ใน-ของไหลที่มีความหนืดสูง
| ความหนืดของของไหลจำนวนมากที่อุณหภูมิการทำงาน (cP) | อุณหภูมิ-ความไวต่อความหนืด | ค่า U- ที่แนะนำ (W/m²·K) | ปัจจัยการลดพิกัดสัมพันธ์กับน้ำ (280 วัตต์/ตร.ม.·K) | หมายเหตุ |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (เหมือนน้ำ) | ต่ำ | 250-280 | 0.9-1.0 | โทษความหนืดเล็กน้อย |
| 10-50 | ปานกลาง | 180-240 | 0.65-0.85 | เอฟเฟกต์ลามินาร์ระดับอ่อน |
| 50-200 | ปานกลาง-สูง | 120-180 | 0.43-0.65 | การไหลแบบลามินาร์โดดเด่น |
| 200-500 | สูง | 80-130 | 0.29-0.46 | การตอบสนองของความหนืดของอุณหภูมิที่สูง- |
| 500-2,000 | สูง | 60-100 | 0.21-0.36 | ผลตอบรับที่สำคัญ; ความปั่นป่วนมีประโยชน์อย่างมาก |
| 2,000-10,000 | สูงมาก | 40-70 | 0.14-0.25 | จำเป็นต้องมีการกวนทางกล การพาความร้อนตามธรรมชาติเล็กน้อย |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100) สำหรับของเหลวนิ่ง ให้ลดค่า U- ลง 30-50%
ตัวคูณความปั่นป่วน
ในของเหลวที่มีความหนืดสูง- การพาความร้อนตามธรรมชาติจะอ่อนหรือขาดหายไป การถ่ายเทความร้อนอาศัยการพาความร้อนแบบบังคับจากการกวนเชิงกล ชั้นของเหลวที่ให้ความร้อนรอบๆ ท่อ PTFE จะหยุดนิ่งโดยไม่เกิดความปั่นป่วน การถ่ายเทความร้อนลดลงไปสู่การนำ-ในอัตราที่จำกัด
ค่า U- ในตารางถือว่ามีความปั่นป่วนทางกลเพียงพอ สำหรับถังที่ไม่มีการกวนเชิงกล ค่า U- ควรลดลงอีก 30-50% การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ต้องมีข้อกำหนดการกวนเป็นส่วนหนึ่งของการกำหนดขนาดความร้อน
สำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงกว่า 2,000 cP การกวนเชิงกลไม่ใช่ทางเลือก-แต่เป็นข้อกำหนดเพื่อให้ได้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่เป็นประโยชน์ ควรระบุกำลังของเครื่องกวนและการออกแบบใบพัดควบคู่ไปกับพื้นที่ผิวตัวแลกเปลี่ยนความร้อน
การกำหนดขนาดขอบสำหรับความไม่แน่นอน
ข้อมูลความหนืดสำหรับสารละลายโพลีเมอร์มักถูกวัดที่อุณหภูมิที่แยกจากกันเพียงไม่กี่จุดและคาดการณ์ไว้ การประมาณค่าทำให้เกิดความไม่แน่นอนในการคำนวณค่า U- แนะนำให้ใช้ระยะเผื่อขนาดอย่างระมัดระวังที่ 15-25% พื้นที่ผิวเพิ่มเติมสำหรับการใช้งานที่คุณภาพของข้อมูลความหนืดไม่แน่นอน
หากเป็นไปได้ การทดสอบการถ่ายเทความร้อนแบบสเกลนำร่องกับของเหลวในกระบวนการจริงจะให้ข้อมูลค่า U- ที่น่าเชื่อถือที่สุด การทดสอบใช้ขดลวด PTFE ขนาดเล็กที่จุ่มอยู่ในตัวอย่างของของเหลวในกระบวนการ โดยมีการวัดค่าความร้อนและการตอบสนองต่ออุณหภูมิ ค่า U- ที่เป็นผลลัพธ์จะถูกปรับขนาดเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนขนาดเต็ม- โดยไม่ลดทอนความไม่แน่นอน
สรุป
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ที่ทำงานบน-สารละลายโพลีเมอร์ความหนืดสูงต้องใช้ปัจจัยการลดค่า U- ที่ 0.14 ถึง 0.85 เทียบกับค่าการออกแบบที่ใช้น้ำ- ขึ้นอยู่กับความหนืดรวมและความไวต่ออุณหภูมิ ผลสะท้อนกลับของอุณหภูมิ-ในชั้นขอบเขตที่ได้รับความร้อนจะชดเชยค่าปรับการไหลแบบลามินาร์บางส่วน
การกวนเชิงกลถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการถ่ายเทความร้อนที่เป็นประโยชน์ในของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 500 cP ขอบการกำหนดขนาด 15-25% ทำให้เกิดความไม่แน่นอนของข้อมูลความหนืด สำหรับการใช้งานที่สำคัญ การทดสอบการถ่ายเทความร้อนระดับนำร่องช่วยขจัดความไม่แน่นอนด้านการลดพิกัด
การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมสำหรับขนาดตัวแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ในการใช้งานที่มีความหนืดสูง-เฉพาะนั้นสามารถทำได้โดยส่งข้อมูลความหนืดของของเหลว- ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน วิธีการกวนและความเข้ม และหน้าที่ความร้อนที่ต้องการ
