یک کارخانه شیمیایی ویژه برای گرم کردن محلول پلیمری با ویسکوزیته تقریباً 20000 mPa·s در دمای عملیاتی مورد نیاز است. بخاری غوطه وری PTFE موجود پس از چهار ماه از کار افتاده بود. غلاف یک نوار نرم و تاول دار را در امتداد بخش گرم شده پایین نشان داد و مقاومت عایق به زیر 10 MΩ کاهش یافته بود. بخاری 1.2 W/cm² مشخص شده بود که برای آب مناسب است اما برای محلول پلیمری چسبناک بسیار تهاجمی است.
سیالات با ویسکوزیته بالا یک چالش اساسی برای انتقال حرارت هستند. لایه مرزی حرارتی ضخیم در سطح بخاری گرما را به دام می اندازد و دمای سطح بخاری بسیار بالاتر از دمای سیال حجیم است. چگالی وات ایمن متناسب با ویسکوزیته کاهش می یابد. پیکربندی بخاری باید طوری طراحی شود که سطح مورد نیاز را در چگالی وات کم فراهم کند و جریان در سطح بخاری باید حفظ شود تا ضخامت لایه مرزی کاهش یابد.
مشکل انتقال حرارت در سیالات با ویسکوزیته بالا
در سیالی با ویسکوزیته 100 برابر آب، ضریب انتقال حرارت همرفتی 10 تا 20 درصد مقدار آب است. اختلاف دمای مورد نیاز برای انتقال یک شار حرارتی معین به نسبت بالاتر است. برای یک بخاری که با 1.0 وات بر سانتی متر مربع در سیال ویسکوزیته 100× کار می کند، فاصله دمایی-تا- توده می تواند 40 تا 60 درجه باشد.
دمای سطح بالا باعث تسریع تخریب PTFE می شود. پلیمر نرم می شود، ثبات ابعادی خود را از دست می دهد و نفوذپذیرتر می شود. بخاری از بیرون به داخل خراب می شود.
| ویسکوزیته سیال | نسبت به آب | ضریب همرفتی | سطح ΔT در 1.0 W/cm² | چگالی وات ایمن |
|---|---|---|---|---|
| آب | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 درجه | 1.5-2.0 W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 درجه | 1.0-1.3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 درجه | 0.6-0.9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 درجه | 0.4-0.6 W/cm² |
انتقال حرارت و چگالی وات ایمن برای سیالات با ویسکوزیته بالا
پیکربندی چند-گذر
یک پیکربندی چند گذری، سطح گرمایش را در سطح وسیع‌تری توزیع می‌کند و چگالی وات را در واحد سطح کاهش می‌دهد. گذرگاه ها به گونه ای تنظیم شده اند که سطح سطح را در حجم ظرف موجود به حداکثر برسانند و اجازه دهند جریان بین آنها جریان یابد.
برای کارکرد 6 کیلووات با 0.7 وات بر سانتی متر مربع، مساحت سطح مورد نیاز 8571 سانتی متر مربع است. یک بخاری چند پاسی با قطر غلاف 50 میلی‌متر و هشت پاس 700 میلی‌متری هر کدام تقریباً 8796 سانتی‌متر مربع{10}}برای این کار کافی است. گذرگاه ها با فاصله 40 تا 50 میلی متر از هم قرار دارند تا جریان بین آنها جریان یابد.
| وات | چگالی وات ایمن | مساحت سطح مورد نیاز | در غلاف 50 میلی متری عبور می کند | طول پاس | فاصله عبور |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 کیلو وات | 0.7 وات بر سانتی متر مربع | 4286 سانتی متر مربع | 4 | 700 میلی متر | 40 میلی متر |
| 4 کیلو وات | 0.7 وات بر سانتی متر مربع | 5714 سانتی متر مربع | 5 | 700 میلی متر | 40 میلی متر |
| 5 کیلو وات | 0.7 وات بر سانتی متر مربع | 7,143 سانتی متر مربع | 7 | 700 میلی متر | 45 میلی متر |
| 6 کیلو وات | 0.7 وات بر سانتی متر مربع | 8571 سانتی متر مربع | 8 | 700 میلی متر | 45 میلی متر |
| 8 کیلو وات | 0.7 وات بر سانتی متر مربع | 11429 سانتی متر مربع | 10 | 700 میلی متر | 50 میلی متر |
پیکربندی‌های چند{0}}برای محلول‌های پلیمری با ویسکوزیته بالا
افزایش جریان برای سیالات ویسکوز
یک پیکربندی چند گذری به تنهایی در یک سیال چسبناک کافی نیست. جریان در سطح بخاری باید حفظ شود تا ضخامت لایه مرزی کاهش یابد. یک ادوکتور اختصاصی یا یک پمپ چرخش کوچک می تواند جریان را در سراسر گذرگاه ها هدایت کند.
سرعت محلی 0.3-0.5 متر بر ثانیه برای کاهش ضخامت لایه مرزی و کاهش دمای سطح 15-25 درجه کافی است. لازم نیست جریان قوی باشد- بلکه باید به سطح بخاری هدایت شود.
| روش افزایش جریان | سرعت محلی | کاهش ΔT سطح | پیاده سازی |
|---|---|---|---|
| مربی در بخاری | 0.3–0.5 m/s | 15-25 درجه | پمپ کوچک یا هوای فشرده |
| حلقه چرخش | 0.4–0.6 m/s | 20-30 درجه | پمپ و لوله کشی |
| هم زدن مکانیکی | 0.2–0.4 m/s | 10-20 درجه | همزن یا همزن |
| لوله اسپرج | 0.1–0.2 m/s | 8-15 درجه | هوای فشرده |
روش های افزایش جریان برای سیالات چسبناک
ملاحظات هندسه راکتور
یک راکتور شیمیایی اغلب هندسه متفاوتی نسبت به مخزن آبکاری دارد. راکتور ممکن است استوانه ای با بالا و پایین گنبدی شکل، با شفت همزن مرکزی و بافل باشد. فضای موجود برای یک هیتر محدود به ناحیه حلقوی بین همزن و دیواره رگ است.
یک پیکربندی چند گذری منحنی- که دیواره رگ را دنبال می‌کند، مساحت سطح را در فضای حلقوی به حداکثر می‌رساند. گذرگاه ها به صورت حلقه ای در اطراف همزن قرار گرفته اند و کانال های جریان بین آنها وجود دارد.
زمانی که نمی توان از بخاری استاندارد استفاده کرد
اگر راکتور نمی تواند سطح مورد نیاز برای چگالی وات کم را در خود جای دهد، گزینه ها عبارتند از کاهش وات، پذیرش عمر کوتاه تر، یا استفاده از روش گرمایش جایگزین. یک مبدل حرارتی خارجی ممکن است برای سرویس چسبناک مناسب تر باشد زیرا می تواند سطح بیشتری را در حجم کمتری فراهم کند.
یک پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با پاس‌های متعدد، چگالی وات کم و افزایش جریان برای محلول‌های پلیمری با ویسکوزیته بالا طراحی شده است. فرآیند مشخصات به ویسکوزیته سیال در دمای کارکرد، ابعاد ظرف، نوع و سرعت همزن، وات مورد نیاز و نیاز یکنواختی دما نیاز دارد.
