דרוש מפעל כימי מיוחד לחימום תמיסת פולימר עם צמיגות של כ-20,000 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-10 MΩ. המחמם צוין ב-1.2 W/cm², שהיה מתאים למים אך אגרסיבי מדי לתמיסת הפולימר הצמיג.
נוזלים בעלי צמיגות גבוהה מהווים אתגר מהותי בהעברת חום. שכבת הגבול התרמית העבה במשטח המחמם לוכדת חום, וטמפרטורת פני המחמם עולה הרבה מעל טמפרטורת הנוזל בתפזורת. צפיפות הוואטים הבטוחה יורדת באופן פרופורציונלי עם הצמיגות. יש לתכנן את תצורת המחמם כדי לספק את שטח הפנים הנדרש בצפיפות וואט נמוכה, ויש לשמור על הזרימה במשטח המחמם כדי להפחית את עובי שכבת הגבול.
בעיית העברת החום בנוזלים בעלי צמיגות גבוהה
בנוזל עם צמיגות פי 100 מזו של מים, מקדם העברת החום ההסעה הוא 10-20% מערך המים. הפרש הטמפרטורה הנדרש להעברת שטף חום נתון גבוה יותר בהתאם. עבור תנור חימום הפועל ב-1.0 W/cm² בנוזל צמיגות של 100×, פער הטמפרטורה-ל-המשטח יכול להיות בין 40-60 מעלות.
טמפרטורת פני השטח הגבוהה מאיצה את פירוק ה-PTFE. הפולימר מתרכך, מאבד את היציבות המימדית והופך לחדיר יותר. המחמם נכשל מבחוץ פנימה.
| צמיגות נוזל | יחסית למים | מקדם הסעה | משטח 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 |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 מעלות | 1.0–1.3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 מעלות | 0.6–0.9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 מעלות | 0.4–0.6 W/cm² |
העברת חום וצפיפות וואט בטוחה לנוזלים בעלי צמיגות גבוהה
תצורת Multi-Pass
תצורת ריבוי-מעברים מפזרת את משטח החימום על פני שטח גדול יותר, ומפחיתה את צפיפות הוואטים ליחידת שטח. המעברים מסודרים כדי למקסם את שטח הפנים בתוך נפח הכלי הזמין ולאפשר זרימה ביניהם.
עבור חובה של 6 קילוואט ב-0.7 ואט/ס"מ, שטח הפנים הנדרש הוא 8,571 ס"מ. מחמם מרובה-מעברים עם קוטר מעטה של 50 מ"מ ושמונה מעברים של 700 מ"מ כל אחד מספק כ-8,796 ס"מ²-מספיק לעבודה. המעברים מרוחקים 40-50 מ"מ זה מזה כדי לאפשר זרימה ביניהם.
| הספק | צפיפות וואט בטוחה | שטח פנים נדרש | עובר במעטפת 50 מ"מ | אורך מעבר | עברו מרווח |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 קילוואט | 0.7 W/cm² | 4,286 ס"מ רבוע | 4 | 700 מ"מ | 40 מ"מ |
| 4 קילוואט | 0.7 W/cm² | 5,714 ס"מ רבוע | 5 | 700 מ"מ | 40 מ"מ |
| 5 קילוואט | 0.7 W/cm² | 7,143 ס"מ רבוע | 7 | 700 מ"מ | 45 מ"מ |
| 6 קילוואט | 0.7 W/cm² | 8,571 ס"מ רבוע | 8 | 700 מ"מ | 45 מ"מ |
| 8 קילוואט | 0.7 W/cm² | 11,429 ס"מ רבוע | 10 | 700 מ"מ | 50 מ"מ |
תצורות מרובות-מעבר לפתרונות פולימרים בעלי צמיגות גבוהה
הגברת זרימה עבור נוזלים צמיגים
תצורת ריבוי-מעברים לבדה אינה מספיקה בנוזל צמיג. יש לשמור על הזרימה במשטח המחמם כדי להפחית את עובי שכבת הגבול. מחנך ייעודי או משאבת מחזור קטנה יכולים לכוון את הזרימה על פני המעברים.
מספיקה מהירות מקומית של 0.3-0.5 מ' לשנייה כדי להפחית את עובי שכבת הגבול ולהוריד את טמפרטורת פני השטח ב-15-25 מעלות. הזרימה לא צריכה להיות חזקה-היא צריכה להיות מכוונת אל משטח המחמם.
| שיטת הגדלת זרימה | מהירות מקומית | הפחתת ΔT משטח | יישום |
|---|---|---|---|
| מחנך במחמם | 0.3–0.5 m/s | 15-25 מעלות | משאבה קטנה או אוויר דחוס |
| לולאת מחזור | 0.4–0.6 m/s | 20-30 מעלות | משאבה וצנרת |
| תסיסה מכנית | 0.2–0.4 m/s | 10-20 מעלות | מעבד או בוחש |
| צינור ספוג | 0.1–0.2 m/s | 8-15 מעלות | אוויר דחוס |
שיטות הגדלת זרימה לנוזלים צמיגים
שיקולי גיאומטריה של 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.
תצורת ריבוי-מעברים מעוקלת העוקבת אחר דופן הכלי ממקסמת את שטח הפנים בתוך החלל הטבעתי. המעברים מסודרים בטבעת סביב המערבל, עם תעלות זרימה ביניהם.
כאשר לא ניתן להשתמש במחמם סטנדרטי
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.
תצורת תנור טבילה PTFE מותאמת אישית עם מעברים מרובים, צפיפות וואט נמוכה והגדלת זרימה מיועדת לפתרונות פולימרים בעלי צמיגות גבוהה. תהליך המפרט דורש את צמיגות הנוזל בטמפרטורת ההפעלה, מידות הכלי, סוג ומהירות המערבל, הספק הנדרש ודרישת אחידות הטמפרטורה.
