Специализированному химическому заводу необходимо было нагреть раствор полимера с вязкостью около 20 000 мПа·с до рабочей температуры. Существующий погружной нагреватель из ПТФЭ вышел из строя через четыре месяца. На оболочке вдоль нижней нагреваемой части виднелась мягкая вздутая полоса, а сопротивление изоляции упало ниже 10 МОм. Нагреватель был рассчитан на мощность 1,2 Вт/см², что подходило для воды, но было слишком агрессивно для вязкого раствора полимера.
Жидкости с высокой вязкостью представляют собой фундаментальную проблему теплопередачи. Толстый тепловой пограничный слой на поверхности нагревателя удерживает тепло, и температура поверхности нагревателя значительно превышает температуру жидкости в объеме. Безопасная плотность ватт падает пропорционально вязкости. Конфигурация нагревателя должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить необходимую площадь поверхности при низкой плотности мощности, а поток на поверхности нагревателя должен поддерживаться для уменьшения толщины пограничного слоя.
Проблема теплопередачи в высоковязких жидкостях
В жидкости с вязкостью, в 100 раз превышающей вязкость воды, коэффициент конвективной теплоотдачи составляет 10–20 % от значения воды. Разность температур, необходимая для передачи данного теплового потока, соответственно выше. Для нагревателя, работающего при мощности 1,0 Вт/см² в жидкости с вязкостью 100×, разница температур между поверхностью-и-объемом может составлять 40–60 градусов.
Высокая температура поверхности ускоряет деградацию ПТФЭ. Полимер размягчается, теряет стабильность размеров и становится более проницаемым. Обогреватель выходит из строя снаружи внутрь.
| Вязкость жидкости | Относительно воды | Конвективный коэффициент | Поверхность ΔT при 1,0 Вт/см² | Безопасная плотность ватт |
|---|---|---|---|---|
| Вода | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 градусов | 1,5–2,0 Вт/см² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 градусов | 1,0–1,3 Вт/см² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 градусов | 0,6–0,9 Вт/см² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 градусов | 0,4–0,6 Вт/см² |
Теплопередача и безопасная удельная мощность для жидкостей с высокой вязкостью
Многопроходная-конфигурация
Многоходовая конфигурация-распределяет поверхность нагрева по большей площади, уменьшая плотность мощности на единицу площади. Проходы расположены так, чтобы максимизировать площадь поверхности в доступном объеме резервуара и обеспечить поток между ними.
Для мощности 6 кВт при 0,7 Вт/см² необходимая площадь поверхности составляет 8571 см². Многоходовой нагреватель-с диаметром оболочки 50 мм и восемью проходами по 700 мм каждый обеспечивает площадь примерно 8796 см²-, достаточную для работы. Проходы располагаются на расстоянии 40–50 мм друг от друга, чтобы обеспечить поток между ними.
| Мощность | Безопасная плотность ватт | Требуемая площадь поверхности | Проходит на расстоянии 50 мм. | Длина прохода | Расстояние между проходами |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 | 7 143 см² | 7 | 700 мм | 45 мм |
| 6 кВт | 0,7 Вт/см² | 8 571 см² | 8 | 700 мм | 45 мм |
| 8 кВт | 0,7 Вт/см² | 11 429 см² | 10 | 700 мм | 50 мм |
Многоходовые-конфигурации для растворов полимеров высокой вязкости
Увеличение потока вязких жидкостей
Для вязкой жидкости одной только многоходовой конфигурации недостаточно. Для уменьшения толщины пограничного слоя необходимо поддерживать поток на поверхности нагревателя. Специальный эдуктор или небольшой рециркуляционный насос могут направлять поток через проходы.
Местной скорости 0,3–0,5 м/с достаточно, чтобы уменьшить толщину пограничного слоя и снизить температуру поверхности на 15–25 градусов. Поток не обязательно должен быть сильным-он должен быть направлен на поверхность нагревателя.
| Метод увеличения потока | Локальная скорость | Снижение поверхностного ΔT | Выполнение |
|---|---|---|---|
| Эдуктор на нагревателе | 0.3–0.5 m/s | 15–25 градусов | Небольшой насос или сжатый воздух |
| Рециркуляционный контур | 0.4–0.6 m/s | 20–30 градусов | Насос и трубопроводы |
| Механическое перемешивание | 0.2–0.4 m/s | 10–20 градусов | Мешалка или мешалка |
| Барботажная трубка | 0.1–0.2 m/s | 8–15 градусов | Сжатый воздух |
Методы увеличения расхода вязких жидкостей
Вопросы геометрии реактора
Химический реактор часто имеет другую геометрию, чем гальванический резервуар. Реактор может быть цилиндрическим с куполообразным верхом и низом, с центральным валом мешалки и перегородками. Доступное пространство для нагревателя ограничено кольцевой областью между мешалкой и стенкой резервуара.
Изогнутая многоходовая-конфигурация, повторяющая стенку сосуда, максимально увеличивает площадь поверхности внутри кольцевого пространства. Проходы расположены кольцом вокруг мешалки с проточными каналами между ними.
Когда нельзя использовать стандартный обогреватель
Если реактор не может вместить площадь поверхности, необходимую для низкой плотности мощности, можно уменьшить мощность, принять более короткий срок службы или использовать альтернативный метод нагрева. Внешний теплообменник может быть более подходящим для работы с вязкими средами, поскольку он может обеспечить большую площадь поверхности в меньшем объеме.
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с несколькими проходами, низкой плотностью мощности и увеличением потока предназначена для растворов полимеров с высокой вязкостью. Для процесса спецификации требуется вязкость жидкости при рабочей температуре, размеры резервуара, тип и скорость мешалки, требуемая мощность и требования к однородности температуры.
