מפעל כימי מיוחד הפעיל כור שעיבד תמיסת פולימר עם צמיגות של כ-15,000 mPa·s בטמפרטורת הפעלה. דוד הטבילה הקיים PTFE נכשל לאחר ארבעה חודשים. הנדן הראה פס רך עם שלפוחיות לאורך החלק המחומם התחתון, והתנגדות הבידוד ירדה מתחת ל-8 MΩ. הכור לא היה נסער במובן המקובל-הוא השתמש במערבל משוטים איטי שהניע את הנוזל הצמיג בעדינות אך לא יצר זרימה סוערת במעטפת המחמם.
נוזלים צמיגים שונים מהותית מאמבטיות המבוססות על מים- בהתנהגות העברת החום שלהם. שכבת הגבול במעטפת המחמם עבה ויציבה. הסעה טבעית חלשה. החום שנוצר על ידי המחמם אינו יכול להימלט ביעילות, וטמפרטורת הנדן עולה הרבה מעל טמפרטורת הנוזל בתפזורת.
בעיית העברת החום בנוזלים צמיגים
בנוזל צמיג, מקדם העברת החום ההסעתי נמוך. עבור נוזל עם צמיגות פי 100 מזו של מים, המקדם עשוי להיות 10-20% מערך המים. הפרש הטמפרטורה הנדרש להעברת שטף חום נתון גבוה יותר בהתאם.
עבור מחמם טבילה מסוג PTFE הפועל ב-1.0 W/cm² בנוזל צמיג, פער הטמפרטורה-ל-המעטפת יכול להיות 40-60 מעלות. באמבט המבוסס על מים- באותה צפיפות וואט, הפער הוא 12-18 מעלות. הפער הגבוה יותר אומר שהמעטפת פועלת בטמפרטורה גבוהה בהרבה לאותה טמפרטורה בתפזורת.
| צמיגות נוזל | יחסית למים | מקדם הסעה | מעטפת ΔT ב-1.0 W/cm² | צפיפות וואט בטוחה |
|---|---|---|---|---|
| מַיִם | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 מעלות | 1.5–2.0 W/cm² |
| שמן קל | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 מעלות | 1.0–1.3 W/cm² |
| תמיסת פולימר | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 מעלות | 0.6–0.9 W/cm² |
| פולימר כבד | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 מעלות | 0.4–0.6 W/cm² |
העברת חום וצפיפות וואט בטוחה לנוזלים צמיגים
שינוי המחמם עבור שירות צמיג
יש לשנות את המחמם כך שיפעל בצורה בטוחה בנוזל הצמיג. השינויים מתייחסים לשלושת הגורמים הקובעים את טמפרטורת הנדן: צפיפות וואט, שטח פנים וזרימה.
יש להפחית את צפיפות הוואטים לטווח הבטוח לצמיגות הנוזל. לתמיסת פולימר עם צמיגות פי 100 של מים, צפיפות הוואט הבטוחה היא 0.6-0.9 W/cm². זה דורש שטח פנים גדול יותר עבור אותו הספק.
שטח פנים גדול יותר מושג באמצעות ריבוי-מעברים או תצורה מורחבת. מחמם שיהווה צרור קומפקטי במים הופך לאלמנט ארוך ומפוזר בנוזל הצמיג.
יש לשפר את הזרימה במעטפת. בוחש משוטים איטי אינו יוצר זרימה במשטח המחמם. מחנך ייעודי או משאבת מחזור קטנה יכולים לכוון זרימה על פני הנדן, להפחית את עובי שכבת הגבול ולהוריד את טמפרטורת הנדן.
| שינוי | השפעה על טמפרטורת הנדן | יישום |
|---|---|---|
| הפחת את צפיפות הוואט ל-0.7 W/cm² | 15-25 מעלות נמוך יותר | יותר שטח פנים |
| הגדל את שטח הפנים 2× | 10-15 מעלות נמוך יותר | תצורת ריבוי-מעברים |
| הוסף מחנך במעטפת | 15-25 מעלות נמוך יותר | משאבה קטנה או אוויר דחוס |
| הוסף לולאת מחזור | 20-30 מעלות נמוך יותר | משאבה וצנרת |
שינויים לשירות צמיג והשפעתם על טמפרטורת הנדן
אתגר גיאומטריית הכור
לכור כימי יש לרוב גיאומטריה שונה ממיכל ציפוי. הכור עשוי להיות גלילי עם כיפת עליונה ותחתית, עם פיר עירוב מרכזי ומבלכים. המקום הפנוי למחמם מוגבל לאזור הטבעתי שבין המערבל לדופן הכלי.
ייתכן שתנור חימום מרובה-מעברים עם שטח פנים גדול לא יתאים לחלל הטבעתי. על המחמם להיות מתוכנן כך שיעקוב אחר העקמומיות של דופן הכלי או כך שיתאים לחלל הפנוי מבלי להפריע למערבל.
| סוג כור | מקום פנוי | תצורת מחמם מומלצת |
|---|---|---|
| גלילי, מעורר | פער טבעתי | ריבוי-מעבר מעוקל |
| גלילי, ללא תסיסה | נפח מלא | רב מרכזי- |
| כלי מעוצב | חלל סליל פנימי | סליל או כידון |
| כור קטן | מוּגבָּל | צפיפות-וואט- נמוכה קומפקטית |
גיאומטריית הכור ותצורת המחמם
כאשר לא ניתן לשנות דוד רגיל
אם הכור אינו יכול להכיל את שטח הפנים הנדרש לצפיפות וואט נמוכה, האפשרויות הן להפחית את ההספק, לקבל חיי שירות קצרים יותר או להשתמש בשיטת חימום חלופית. מחליף חום חיצוני עשוי להתאים יותר לשירות צמיג מכיוון שהוא יכול לספק שטח פנים גדול יותר בנפח קטן יותר.
כאשר נדרשת תצורה מותאמת אישית
תצורת תנור טבילה PTFE מותאמת אישית עם צפיפות וואט נמוכה, שטח פנים גדול והגדלת זרימה מיועדת לשירות של כור צמיג. תהליך המפרט דורש את צמיגות הנוזל בטמפרטורת ההפעלה, מידות הכור, סוג ומהירות המערבל, הספק הנדרש ודרישת אחידות הטמפרטורה.
