عقوبة اللزوجة
توفر الكتب المدرسية حول انتقال الحرارة -تقديرات لقيمة U للمياه-مثل السوائل عند السرعات المعتدلة. تفشل هذه التقديرات عند تطبيقها على-محاليل البوليمر عالية اللزوجة-كحول البولي فينيل أو كربوكسي ميثيل السليلوز أو مستحلبات اللاتكس المركزة-حيث تتراوح اللزوجة من 100 إلى 10000 سنتيبواز.
في هذه السوائل، رقم رينولدز منخفض. التدفق هو الصفحي. طبقة الحدود الحرارية سميكة. يتم قمع الحمل الحراري الطبيعي. يمكن أن ينخفض معامل نقل الحرارة الإجمالي لمبادل حراري PTFE إلى 50-100 واط/م²·ك-ثلث-من 280 وات/م²·ك التي يمكن تحقيقها بالماء.
إن تطبيق عامل تخفيض القيمة على قيمة U-المعتمدة على الماء هو أسلوب التصميم القياسي. لكن عامل تخفيض واحد غير كافٍ لأن اللزوجة تعتمد على درجة الحرارة-. السائل الموجود بالقرب من سطح PTFE الساخن له لزوجة أقل من السائل السائب. يؤدي هذا إلى إنشاء تأثير نقل الحرارة المعزز ذاتيًا والذي لا يمكن لعامل التخفيض الثابت البسيط التقاطه.
درجة الحرارة-ملاحظات اللزوجة
تظهر محاليل البوليمر اعتمادًا قويًا على درجة الحرارة-واللزوجة. يمكن أن تكون لزوجة المحلول الذي تبلغ لزوجته 1000 سنتي بواز عند 25 درجة لزوجة 200 سنتي بواز فقط عند 60 درجة -أي تخفيض بمقدار خمسة أضعاف. عندما يتصل هذا السائل بجدار أنبوب PTFE عند درجة حرارة 80-100 درجة، يسخن السائل الموجود في الطبقة الحدودية إلى درجة حرارة بين الجدار ودرجات حرارة الكتلة. اللزوجة تنخفض بشكل ملحوظ. تعمل اللزوجة المنخفضة على تحسين انتقال الحرارة مقارنة بما يمكن أن تتنبأ به الحسابات باستخدام لزوجة درجة الحرارة الإجمالية.
إن ردود فعل اللزوجة لدرجة الحرارة- هذه تعوض جزئيًا عقوبة التدفق الصفحي. إن المبادل الحراري PTFE الذي قد يبدو أصغر حجمًا بشدة استنادًا إلى حسابات اللزوجة الكبيرة قد يؤدي أداءً كافيًا لأن مائع الطبقة الحدودية المسخنة أقل لزوجة بكثير مما يفترض.
عامل التخفيض الصحيح يفسر هذا التأثير. إنه ليس مضاعفًا ثابتًا ولكنه دالة لعلاقة درجة حرارة اللزوجة - لمحلول البوليمر المحدد.
الجدول 1: U- عوامل خفض القيمة للمبادلات الحرارية PTFE في الموائع ذات اللزوجة العالية -
| لزوجة السوائل السائبة عند درجة حرارة التشغيل (cP) | درجة الحرارة-حساسية اللزوجة | القيمة الموصى بها -(W/m²·K) | عامل التخفيض بالنسبة للماء (280 واط/م²·ك) | ملحوظات |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (شبيه بالماء) | قليل | 250-280 | 0.9-1.0 | عقوبة اللزوجة ضئيلة |
| 10-50 | معتدل | 180-240 | 0.65-0.85 | تأثيرات صفائحية خفيفة |
| 50-200 | معتدل-مرتفع | 120-180 | 0.43-0.65 | التدفق الصفحي هو السائد |
| 200-500 | عالي | 80-130 | 0.29-0.46 | ردود فعل لزوجة قوية على درجة الحرارة-. |
| 500-2,000 | عالي | 60-100 | 0.21-0.36 | ردود فعل كبيرة. التحريض مفيد للغاية |
| 2,000-10,000 | عالية جدا | 40-70 | 0.14-0.25 | التحريض الميكانيكي ضروري. الحمل الحراري الطبيعي لا يكاد يذكر |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). بالنسبة للسوائل الثابتة، قم بتقليل قيم U-بنسبة 30-50%.
مضاعف التحريض
في السوائل ذات اللزوجة العالية-، يكون الحمل الحراري الطبيعي ضعيفًا أو غير موجود. يعتمد نقل الحرارة كليًا على الحمل القسري الناتج عن التحريض الميكانيكي. وبدون إثارة، فإن طبقة السائل الساخنة حول أنابيب PTFE تكون في حالة ركود. ينخفض انتقال الحرارة إلى معدلات التوصيل-المحدودة.
تفترض قيم U-في الجدول تحريكًا ميكانيكيًا مناسبًا. بالنسبة للخزانات التي لا تحتوي على تقليب ميكانيكي، يجب تقليل قيم U-بنسبة إضافية تتراوح بين 30-50%. يجب أن يتضمن تصميم المبادل الحراري PTFE مواصفات التحريك كجزء لا يتجزأ من التحجيم الحراري.
بالنسبة للسوائل ذات اللزوجة التي تزيد عن 2000 سنتي بواز، فإن التقليب الميكانيكي ليس اختياريًا-إنه شرط لتحقيق معدلات نقل حرارة مفيدة. يجب تحديد قوة المحرض وتصميم المكره جنبًا إلى جنب مع مساحة سطح المبادل الحراري.
حجم الهامش لعدم اليقين
غالبًا ما يتم قياس بيانات اللزوجة لمحاليل البوليمر عند درجات حرارة قليلة منفصلة ويتم استقراءها. يؤدي الاستقراء إلى عدم اليقين في حساب قيمة U-. يوصى بهامش تحجيم متحفظ بنسبة 15-25% من مساحة السطح الإضافية للتطبيقات التي تكون فيها جودة بيانات اللزوجة غير مؤكدة.
يوفر الاختبار التجريبي لانتقال الحرارة على نطاق - باستخدام مائع المعالجة الفعلي، إذا كان ذلك ممكنًا، بيانات قيمة U- الأكثر موثوقية. يستخدم الاختبار ملف PTFE صغير مغمور في عينة من سائل العملية، مع قياس مدخلات الحرارة واستجابة درجة الحرارة. يتم قياس قيمة U- الناتجة إلى المبادل بالحجم الكامل- دون التقليل من عدم اليقين.
ملخص
تتطلب المبادلات الحرارية PTFE التي تعمل في محاليل البوليمر-عالية اللزوجة عوامل خفض قيمة U-من 0.14 إلى 0.85 بالنسبة إلى قيم التصميم المستندة إلى الماء-، اعتمادًا على اللزوجة الكلية وحساسية درجة الحرارة. تأثير درجة الحرارة واللزوجة - في الطبقة الحدودية الساخنة يعوض جزئيًا عقوبة التدفق الصفحي.
يعد التحريك الميكانيكي ضروريًا لنقل الحرارة بشكل مفيد في السوائل التي تزيد عن 500 سنتي بواز. هوامش تغيير الحجم تبلغ 15-25% تمثل عدم اليقين في بيانات اللزوجة. بالنسبة للتطبيقات المهمة، فإن اختبار نقل الحرارة على نطاق تجريبي يزيل عدم اليقين.
يتوفر التحليل الهندسي لحجم المبادل الحراري PTFE في تطبيقات محددة ذات لزوجة عالية-عند تقديم بيانات درجة حرارة لزوجة السائل-، ونطاق درجة حرارة التشغيل، وطريقة التقليب وكثافته، والواجب الحراري المطلوب.
