Штраф за вязкость
В учебниках по теплопередаче приводятся оценки значений U-для водо-подобных жидкостей при умеренных скоростях. Эти оценки неверны при применении к растворам полимеров с высокой-вязкостью-поливинилового спирта, карбоксиметилцеллюлозы или концентрированным латексным эмульсиям-, где вязкость находится в диапазоне от 100 до 10 000 сантипуаз.
В этих жидкостях число Рейнольдса низкое. Течение ламинарное. Тепловой пограничный слой толстый. Естественная конвекция подавляется. Общий коэффициент теплопередачи для теплообменника из ПТФЭ может упасть до 50-100 Вт/м²·К-от одной-трети до одной пятой от 280 Вт/м²·К, достижимых с водой.
Применение коэффициента снижения характеристик к значению U-на основе воды является стандартным подходом к проектированию. Однако одного коэффициента снижения характеристик недостаточно, поскольку вязкость-зависит от температуры. Жидкость вблизи горячей поверхности ПТФЭ имеет меньшую вязкость, чем объемная жидкость. Это создает эффект самоусиливающейся теплопередачи, который не учитывается простым постоянным коэффициентом снижения мощности.
Обратная связь по температуре-вязкости
Растворы полимеров сильно зависят от температуры-вязкости. Раствор с вязкостью 1000 сП при 25 градусах может иметь вязкость всего 200 сП при 60 градусах -, то есть пятикратное снижение. Когда эта жидкость контактирует со стенкой трубки из ПТФЭ при температуре 80-100 градусов, жидкость в пограничном слое нагревается до температуры между температурой стенки и объемом. Его вязкость значительно снижается. Пониженная вязкость улучшает теплопередачу по сравнению с тем, что можно было бы предсказать при расчете с использованием вязкости при объемной температуре.
Эта обратная связь по температуре-вязкости частично компенсирует потери от ламинарного потока. Теплообменник из ПТФЭ, размер которого, исходя из расчетов объемной вязкости, может показаться сильно заниженным, может работать адекватно, поскольку нагретая жидкость пограничного слоя гораздо менее вязкая, чем предполагалось.
Правильный коэффициент снижения мощности учитывает этот эффект. Это не фиксированный множитель, а функция зависимости вязкости-температуры конкретного раствора полимера.
Таблица 1. Коэффициенты снижения номинальных значений U- для теплообменников из ПТФЭ, работающих в жидкостях с высокой-вязкостью
| Объемная вязкость жидкости при рабочей температуре (сП) | Чувствительность к температуре-вязкости | Рекомендуемое значение U- (Вт/м²·К) | Коэффициент снижения мощности по отношению к воде (280 Вт/м²·К) | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (водоподобный) | Низкий | 250-280 | 0.9-1.0 | Незначительное снижение вязкости |
| 10-50 | Умеренный | 180-240 | 0.65-0.85 | Мягкие ламинарные эффекты |
| 50-200 | Умеренная-Высокая | 120-180 | 0.43-0.65 | Доминирует ламинарный поток |
| 200-500 | Высокий | 80-130 | 0.29-0.46 | Сильная обратная связь по температуре-вязкости |
| 500-2,000 | Высокий | 60-100 | 0.21-0.36 | Значительная обратная связь; агитация очень полезна |
| 2,000-10,000 | Очень высокий | 40-70 | 0.14-0.25 | Необходимо механическое перемешивание; естественная конвекция незначительна |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Для негазированных жидкостей уменьшите значения U-на 30–50 %.
Мультипликатор агитации
В жидкостях с высокой-вязкостью естественная конвекция слаба или отсутствует. Теплопередача полностью зависит от принудительной конвекции вследствие механического перемешивания. Без перемешивания нагретый слой жидкости вокруг трубок из ПТФЭ застаивается. Скорость теплопередачи падает до-ограниченной проводимости.
Значения U-в таблице предполагают адекватное механическое перемешивание. Для резервуаров без механического перемешивания значения U- следует уменьшить еще на 30–50 %. Конструкция теплообменника из ПТФЭ должна включать характеристики перемешивания как неотъемлемую часть термического расчета.
Для жидкостей с вязкостью выше 2000 сП механическое перемешивание не является обязательным-, оно является обязательным условием для достижения полезной скорости теплопередачи. Мощность мешалки и конструкция крыльчатки должны быть указаны вместе с площадью поверхности теплообменника.
Определение запаса на неопределенность
Данные о вязкости растворов полимеров часто измеряются при нескольких дискретных температурах и экстраполируются. Экстраполяция вносит неопределенность в расчет значения U-. Консервативный запас по размеру в размере 15–25 % дополнительной площади поверхности рекомендуется для применений, где качество данных о вязкости является неопределенным.
Пилотное-испытание теплопередачи с реальной технологической жидкостью, если это возможно, дает наиболее надежные данные о значении U-. В тесте используется небольшая катушка из ПТФЭ, погруженная в образец технологической жидкости, с измерением подвода тепла и температурной реакции. Полученное значение U-масштабируется для полноразмерного теплообменника-без снижения неопределенности.
Краткое содержание
Для теплообменников из ПТФЭ, работающих в растворах полимеров с высокой-вязкостью, требуются коэффициенты снижения номинальных характеристик U-от 0,14 до 0,85 относительно расчетных значений на водной-основе, в зависимости от объемной вязкости и температурной чувствительности. Эффект обратной связи по температуре-вязкости в нагретом пограничном слое частично компенсирует потери от ламинарного течения.
Механическое перемешивание необходимо для полезной теплопередачи в жидкостях с температурой выше 500 сП. Запасы по размеру в размере 15-25 % объясняют неопределенность данных о вязкости. Для критических применений пилотные испытания теплопередачи исключают неопределенность снижения номинальных характеристик.
Инженерный анализ размеров теплообменника из ПТФЭ для конкретных применений с высокой-вязкостью доступен после предоставления данных о вязкости жидкости-температуре, диапазоне рабочих температур, методе и интенсивности перемешивания, а также требуемом тепловом режиме.
