Die Viskositätsstrafe
Lehrbücher zur Wärmeübertragung bieten U-Wertschätzungen für wasser-ähnliche Flüssigkeiten bei mäßigen Geschwindigkeiten. Diese Schätzungen versagen, wenn sie auf hoch{3}viskose Polymerlösungen-Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose oder konzentrierte Latexemulsionen- angewendet werden, deren Viskositäten zwischen 100 und 10.000 Centipoise liegen.
In diesen Flüssigkeiten ist die Reynolds-Zahl niedrig. Die Strömung ist laminar. Die thermische Grenzschicht ist dick. Die natürliche Konvektion wird unterdrückt. Der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient für einen PTFE-Wärmetauscher kann auf 50-100 W/m²·K-ein-Drittel bis ein Fünftel der mit Wasser erreichbaren 280 W/m²·K sinken.
Die Anwendung eines Reduzierungsfaktors auf den wasser-basierten U--Wert ist der Standardentwurfsansatz. Ein einzelner Reduzierungsfaktor reicht jedoch nicht aus, da die Viskosität temperaturabhängig ist. Die Flüssigkeit in der Nähe der heißen PTFE-Oberfläche hat eine geringere Viskosität als die Hauptflüssigkeit. Dadurch entsteht ein selbstverstärkender Wärmeübertragungseffekt, den ein einfacher konstanter Leistungsreduzierungsfaktor nicht erfasst.
Das Temperatur--Viskositäts-Feedback
Polymerlösungen weisen eine starke Temperatur--Viskositätsabhängigkeit auf. Eine Lösung mit einer Viskosität von 1.000 cP bei 25 Grad kann bei 60 Grad eine Viskosität von nur 200 cP haben -eine Verfünffachung. Wenn diese Flüssigkeit bei 80 {12}}100 Grad mit der Wand eines PTFE-Rohrs in Kontakt kommt, erwärmt sich die Flüssigkeit in der Grenzschicht auf eine Temperatur zwischen der Wand- und der Volumentemperatur. Seine Viskosität sinkt deutlich. Die verringerte Viskosität verbessert die Wärmeübertragung im Vergleich zu dem, was eine Berechnung unter Verwendung der Massentemperaturviskosität vorhersagen würde.
Diese Temperatur--Viskositätsrückkopplung gleicht den Nachteil der laminaren Strömung teilweise aus. Ein PTFE-Wärmetauscher, der auf der Grundlage von Volumenviskositätsberechnungen stark unterdimensioniert erscheinen würde, kann eine angemessene Leistung erbringen, da die erhitzte Grenzschichtflüssigkeit viel weniger viskos ist als angenommen.
Der richtige Derating-Faktor berücksichtigt diesen Effekt. Es handelt sich nicht um einen festen Multiplikator, sondern um eine Funktion des Viskositäts-Temperaturverhältnisses der spezifischen Polymerlösung.
Tabelle 1: Reduzierungsfaktoren des U--Werts für PTFE-Wärmetauscher in hochviskosen Flüssigkeiten
| Viskosität der Massenflüssigkeit bei Betriebstemperatur (cP) | Temperatur-Viskositätsempfindlichkeit | Empfohlener U-Wert (W/m²·K) | Derating-Faktor relativ zu Wasser (280 W/m²·K) | Notizen |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (wasserähnlich) | Niedrig | 250-280 | 0.9-1.0 | Vernachlässigbarer Viskositätsnachteil |
| 10-50 | Mäßig | 180-240 | 0.65-0.85 | Leichte laminare Effekte |
| 50-200 | Mäßig-Hoch | 120-180 | 0.43-0.65 | Es dominiert die laminare Strömung |
| 200-500 | Hoch | 80-130 | 0.29-0.46 | Starke Temperatur--Viskositätsrückmeldung |
| 500-2,000 | Hoch | 60-100 | 0.21-0.36 | Bedeutendes Feedback; Bewegung ist sehr wohltuend |
| 2,000-10,000 | Sehr hoch | 40-70 | 0.14-0.25 | Mechanische Bewegung unerlässlich; natürliche Konvektion vernachlässigbar |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Reduzieren Sie bei stillen Flüssigkeiten die U--Werte um 30–50 %.
Der Agitationsmultiplikator
In hochviskosen Flüssigkeiten ist die natürliche Konvektion schwach oder fehlt. Die Wärmeübertragung beruht ausschließlich auf erzwungener Konvektion durch mechanische Bewegung. Ohne Bewegung stagniert die erhitzte Flüssigkeitsschicht um die PTFE-Schläuche. Die Wärmeübertragung sinkt auf die Leitung-begrenzte Geschwindigkeiten.
Die U--Werte in der Tabelle setzen eine ausreichende mechanische Bewegung voraus. Bei Tanks ohne mechanische Bewegung sollten die U--Werte um weitere 30–50 % reduziert werden. Das Design des PTFE-Wärmetauschers muss Rührspezifikationen als integralen Bestandteil der thermischen Dimensionierung umfassen.
Für Flüssigkeiten mit Viskositäten über 2.000 cP ist die mechanische Bewegung nicht optional -sie ist eine Voraussetzung für die Erzielung brauchbarer Wärmeübertragungsraten. Neben der Wärmetauscheroberfläche sollten auch die Leistung des Rührwerks und die Laufradkonstruktion angegeben werden.
Dimensionierungsspielraum für Unsicherheit
Viskositätsdaten für Polymerlösungen werden häufig bei einigen diskreten Temperaturen gemessen und extrapoliert. Die Extrapolation führt zu Unsicherheiten bei der Berechnung des U--Werts. Für Anwendungen, bei denen die Qualität der Viskositätsdaten ungewiss ist, wird eine konservative Größenspanne von 15–25 % zusätzlicher Oberfläche empfohlen.
Ein Wärmeübertragungstest im Pilotmaßstab-mit der tatsächlichen Prozessflüssigkeit liefert, sofern möglich, die zuverlässigsten U--Wertdaten. Der Test verwendet eine kleine PTFE-Spule, die in eine Probe der Prozessflüssigkeit eingetaucht ist, wobei der Wärmeeintrag und die Temperaturreaktion gemessen werden. Der resultierende U--Wert wird auf die volle-Größe des Wärmetauschers skaliert, ohne dass die Unsicherheit herabgesetzt wird.
Zusammenfassung
PTFE-Wärmetauscher, die in hochviskosen Polymerlösungen betrieben werden, erfordern U--Reduzierungsfaktoren von 0,14 bis 0,85 im Vergleich zu wasserbasierten Auslegungswerten, abhängig von der Massenviskosität und der Temperaturempfindlichkeit. Der Rückkopplungseffekt der Temperatur-Viskosität in der erhitzten Grenzschicht gleicht den Nachteil der laminaren Strömung teilweise aus.
Für eine sinnvolle Wärmeübertragung in Flüssigkeiten über 500 cP ist mechanisches Rühren unerlässlich. Schlichtespannen von 15-25 % tragen zur Unsicherheit der Viskositätsdaten bei. Bei kritischen Anwendungen beseitigen Wärmeübertragungstests im Pilotmaßstab Unsicherheiten bei der Leistungsreduzierung.
Eine technische Analyse für die Dimensionierung von PTFE-Wärmetauschern in bestimmten Hochviskositätsanwendungen ist nach Übermittlung von Flüssigkeitsviskositäts--Temperaturdaten, Betriebstemperaturbereich, Rührmethode und -intensität sowie der erforderlichen Wärmeleistung verfügbar.
