يتدفق الماء والزيوت الرقيقة بشكل متوقع؛ اللزوجة ثابتة. لكن العديد من السوائل الصناعية-محاليل البوليمر والحمأة ومعاجين الطعام-ليست-نيوتونية. يتغير سمكها اعتمادًا على مدى قوة تحريكها. عندما يتم ضخ هذه السوائل من خلال مبادل حراري PTFE، فإن معادلات التصميم القياسية التي تفترض لزوجة ثابتة يمكن أن تؤدي إلى نتائج غير دقيقة إلى حد كبير. سليممبادل PTFE تحجيم السوائل غير النيوتونيةتتطلب التطبيقات أسلوبًا مختلفًا-يأخذ في الاعتبار كيفية تغير اللزوجة الظاهرة للسائل مع معدل القص داخل الأنابيب.
تحدي القص-سلوك التخفيف
النوع الأكثر شيوعًا من-السوائل غير النيوتونية التي يتم مواجهتها في تصميم المبادل الحراري هو ترقق القص- (ويسمى أيضًا البلاستيك الكاذب). يصبح سائل التخفيف- أقل لزوجة عندما يتم قصه. يشبه سلوك السائل مادة هلامية عنيدة تصبح سائلة راغبة عند دفعها. تشمل الأمثلة ما يلي:
ذوبان البوليمر والحلول
صمغ الزانثان ومكثفات أخرى
الحمأة والحمأة
الكاتشب والمايونيز ومعاجين الطعام الأخرى
أحبار الطباعة والطلاءات
داخل أنبوب المبادل الحراري، يحدث أعلى معدل قص عند جدار الأنبوب، حيث تتغير سرعة المائع بسرعة أكبر من-القلب المركزي السريع الحركة إلى الجدار الثابت. وبالتالي، فإن طبقة السائل المجاورة للجدار لها لزوجة ظاهرة أقل بكثير من السائل الموجود في المركز. وهذا له تأثيران رئيسيان على نقل الحرارة وانخفاض الضغط:
تم تعزيز نقل الحرارةمقارنةً بالمائع النيوتوني الذي يتمتع بنفس-لزوجة القص (الراحة) المنخفضة، لأن طبقة الجدار ذات اللزوجة المنخفضة-تعزز الخلط الحراري بشكل أفضل.
انخفاض الضغط أقلمما قد تتوقعه الحسابات النيوتونية، لأن المقاومة الإجمالية للتدفق تقل عن طريق ترقق القص.
ومع ذلك، لا يمكن الحصول على هذه الفوائد بسهولة من خلال صيغ بسيطة. قد يظل السائل عالي اللزوجة في حالة السكون يتدفق بسهولة في أنبوب، والتصميم بناءً على لزوجة القص الصفرية-من شأنه أن يؤدي إلى زيادة حجم المبادل بشكل كبير.
النماذج الأساسية لوصف القص-سوائل التخفيف
لتحديد حجم المبادل بشكل صحيح، يجب توصيف ريولوجيا السائل. يتم استخدام نموذجين بشكل شائع:
نموذج قانون القوة (أوستوالد – دي وايلي):
τ = K· ⁿ
حيث τ هو إجهاد القص، وهو معدل القص، وK هو مؤشر الاتساق، وn هو مؤشر سلوك التدفق. بالنسبة لسوائل القص-الترقق، n < 1. عندما يكون n=1، يكون المائع نيوتونيًا مع لزوجة K.
نموذج هيرشل-بولكلي:
τ = τ₀ + K· ⁿ
وهذا يضيف إجهاد العائد τ₀. لن يتدفق السائل حتى يتجاوز إجهاد القص المطبق قيمة الإنتاجية هذه. تظهر العديد من الحمأة والمعاجين إجهادًا.
تُستخدم هذه النماذج لحساب اللزوجة الفعالة بمعدل القص الفعلي الموجود في أنبوب المبادل. اللزوجة الفعالة ليست ثابتة. يختلف باختلاف معدل التدفق وقطر الأنبوب.
حساب رقم رينولدز المعمم
تحدي التصميم: اللزوجة المتغيرة عبر المقطع العرضي للأنبوب-.
الجانب الأكثر صعوبة في تحديد حجم مبادل PTFE للسوائل غير النيوتونية-ليس نظام التدفق الإجمالي-بل هو التغير الشعاعي في اللزوجة الظاهرة. في مركز الأنبوب، يكون معدل القص منخفضًا، وبالتالي تكون اللزوجة عالية (قريبة من قيمة القص - الصفر). عند الجدار، يكون معدل القص مرتفعًا، وبالتالي تكون اللزوجة منخفضة. وهذا يعني أن ملف تعريف السرعة أكثر وضوحًا (يشبه المكونات -) أكثر من ملف تعريف القطع المكافئ للسوائل النيوتونية.
تؤثر اللزوجة غير المنتظمة-على كمية الحركة وانتقال الحرارة. غالبًا ما تكون ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) أو الطرق التكرارية المتخصصة مطلوبة لتحديد الحجم الدقيق. ومع ذلك، للأغراض الهندسية، يوصى بالطريقة التالية:
الحصول على البيانات الريولوجيةبالنسبة للسائل على المدى المتوقع لمعدلات القص (10–1000 ثانية⁻¹) ودرجات الحرارة (المدخل إلى المخرج).
تناسب قانون القوة أو نموذج هيرشل-بولكليإلى البيانات.
تقدير متوسط معدل القصفي الأنبوب باستخدام التقريب: _avg=(8v/D) · (3n+1)/(4n). هذا هو معدل قص الجدار لمائع قانون الطاقة-.
احسب اللزوجة الفعالةعند معدل القص هذا وعند درجة الحرارة الكلية.
استخدم رقم رينولدز المعمموعلاقة انتقال الحرارة الصفحية المناسبة.
تحقق من درجة حرارة الجدارللتأكد من عدم تجاوز حد مادة PTFE (عادةً 110-120 درجة للغمر، وأعلى للقشرة - والأنبوب-)، وأن السائل لا يتحلل أو يتغير طوره.
دور الاختبار التجريبي
بالنسبة للسوائل غير النيوتونية بدرجة عالية- أو للعمليات التي تكون فيها تكلفة المبادل كبير الحجم أو صغير الحجم مرتفعة، فإن الاختبار التجريبي المادي باستخدام قسم اختبار PTFE صغير هو المعيار الذهبي. يمكن بناء -قشرة صغيرة الحجم-و-أنبوب أو حتى أنبوب واحد-في-مبادل حراري أنبوبي باستخدام نفس مادة أنابيب PTFE وسمك الجدار كوحدة الحجم الكامل- المقترحة.
يجب أن يقيس الاختبار التجريبي:
معامل انتقال الحرارة الكلي (U) عند عدة معدلات تدفق واختلافات في درجات الحرارة
انخفاض الضغط عبر قسم الاختبار
درجات حرارة سائل الدخول والخروج (كلا الجانبين من الغلاف والأنبوب)
ريولوجيا السوائل قبل وبعد الاختبار للتحقق من تدهور القص
يتم بعد ذلك استخدام هذه البيانات لدعم-حساب رقم نسلت الفعال وعامل الاحتكاك للسائل الفعلي. يعتبر الارتقاء من الاختبار التجريبي أكثر موثوقية من استقراء الارتباطات الأدبية، خاصة بالنسبة للسوائل ذات إجهاد الخضوع أو السلوك المعتمد على درجة الحرارة {2}المعقدة.
اعتبار خاص: إنتاج سوائل الإجهاد
إذا كان للسائل إجهاد خضوع (τ₀ > 0)، فقد تتحرك سدادة مركزية من السائل كنواة صلبة، محاطة بحلقة مقطوعة. يحدث نقل الحرارة في منطقة التوصيل فقط عن طريق التوصيل، وهو أمر غير فعال للغاية. في مثل هذه الحالات، قد لا يكون مبادل PTFE مناسبًا إلا إذا كانت معدلات التدفق مرتفعة بدرجة كافية للتغلب على إجهاد الخضوع في جميع أنحاء المقطع العرضي للأنبوب-. وبدلاً من ذلك، يمكن إضافة خلاطات ثابتة أو إدخالات حلزونية داخل الأنابيب لتعزيز الخلط، ولكن يصعب تنفيذها مع PTFE بسبب الحاجة إلى الخمول الكيميائي ونعومة المادة.
قاعدة عملية: يجب أن يتجاوز إجهاد قص الجدار (المحسوب من انخفاض الضغط) إجهاد الخضوع بمعامل اثنين على الأقل لضمان قص معظم السائل. إذا لم يكن ذلك ممكنًا، فيجب النظر في قطر أنبوب أكبر أو نوع مختلف من المبادلات (على سبيل المثال، مبادل حراري سطحي مكشط-).
حدود التحجيم المحافظة
عندما لا تتوفر بيانات انسيابية مفصلة، يستخدم أسلوب التصميم المحافظ لزوجة القص اللانهائية- (اللزوجة عند معدلات قص عالية جدًا) كحد أدنى واللزوجة القصية- الصفرية (لزوجة الراحة) كحد أعلى. تقع منطقة نقل الحرارة المطلوبة الحقيقية بين هذين النقيضين. غالبًا ما يُستخدم هذا الأسلوب في تحديد الحجم الأولي، مع التحقق من صحة التصميم النهائي من خلال الاختبار التجريبي.
وبدلاً من ذلك، يتم تطبيق عامل أمان يتراوح من 1.5 إلى 2.0 على المنطقة المحسوبة عند استخدام الارتباطات النيوتونية مع لزوجة القص المنخفضة-. وينتج عن هذا مبادل كبير الحجم ولكنه آمن-على الرغم من زيادة التكلفة الرأسمالية.
مثال عملي
خذ بعين الاعتبار محلول صمغ الزانثان بنسبة 2% (سائل تخفيف القص الكلاسيكي-) بالخصائص التالية عند 30 درجة:
الكثافة ρ=1010 كجم/م3
معلمات قانون القوى: K=2.5 Pa·sⁿ, n=0.35
معدل التدفق: 1.5 م3/ساعة
قطر الأنبوب الداخلي: 12 ملم
متوسط السرعة: 1.5 / (3600 × π × 0.006²) ≈ 3.7 م/ث
متوسط معدل القص: _avg=(8 × 3.7 / 0.012) × (3×0.35+1)/(4×0.35) ≈ 2467 × (2.05/1.4) ≈ 3620 ثانية⁻¹.
Apparent viscosity at this shear rate: μ_eff = K·γⁿ⁻¹ = 2.5 × (3620)^(0.35-1) = 2.5 × (3620)^(-0.65) ≈ 2.5 × 0.0075 ≈ 0.019 Pa·s. This is much lower than the resting viscosity (which might be >10 باسكال). سيكون رقم ميتزنر-ريد رينولدز في النطاق المضطرب أو الانتقالي، مما يؤدي إلى نقل جيد للحرارة. إن التصميم النيوتوني الذي يفترض اللزوجة الخاملة من شأنه أن يتنبأ بالتدفق الصفحي ويتطلب مبادلًا كبيرًا جدًا-مبالغة كبيرة في التقدير.
خاتمة
يعد تحديد حجم مبادل PTFE لموائع غير نيوتوني-مهمة متخصصة تتطلب فهم الشخصية الفريدة للسائل، وغالبًا ما يتم التحقق من صحتها من خلال اختبار تجريبي. يؤدي سلوك ترقق القص- إلى تقليل اللزوجة الظاهرة بالقرب من جدار الأنبوب، مما يعزز انتقال الحرارة ويقلل انخفاض الضغط مقارنة بتنبؤات نيوتن المستندة إلى لزوجة القص المنخفضة-. يعد الاستخدام السليم لعدد رينولدز المعمم Metzner-Reed وارتباطات نقل الحرارة المناسبة أمرًا ضروريًا. في بعض الأحيان، تكون السوائل الأكثر صعوبة في النمذجة هي الأسهل في التبريد، إذا تم فهم مراوغاتها الفيزيائية. بالنسبة لمبادلات PTFE، حيث يكون الخمول الكيميائي غالبًا هو السبب الرئيسي للاختيار، فإن الجهد الإضافي المبذول في التوصيف الريولوجي يؤتي ثماره في وحدة ذات حجم صحيح -وفعالة من حيث التكلفة وموثوقة.
