Hukuman Viskositas
Buku teks perpindahan panas memberikan perkiraan nilai U-untuk fluida seperti air dengan kecepatan sedang. Perkiraan ini gagal bila diterapkan pada-larutan polimer dengan viskositas tinggi-polivinil alkohol, karboksimetil selulosa, atau emulsi lateks pekat-yang viskositasnya berkisar antara 100 hingga 10.000 centipoise.
Dalam cairan ini, bilangan Reynoldsnya rendah. Alirannya laminar. Lapisan batas termal tebal. Konveksi alami ditekan. Koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk penukar panas PTFE bisa turun hingga 50-100 W/m²·K-satu-sepertiga hingga seperlima dari 280 W/m²·K yang dapat dicapai dengan air.
Menerapkan faktor penurunan nilai-U{-berbasis air adalah pendekatan desain standar. Namun faktor penurunan peringkat tunggal saja tidak cukup karena viskositas bergantung pada suhu-. Fluida di dekat permukaan PTFE yang panas memiliki viskositas lebih rendah dibandingkan fluida curah. Hal ini menciptakan efek-perpindahan panas yang meningkat dengan sendirinya yang tidak dapat ditangkap oleh faktor penurunan peringkat konstan yang sederhana.
Umpan Balik Suhu-Viskositas
Larutan polimer menunjukkan ketergantungan-viskositas suhu yang kuat. Suatu larutan dengan viskositas 1.000 cP pada 25 derajat mungkin hanya memiliki viskositas 200 cP pada 60 derajat -pengurangan lima kali lipat. Saat fluida ini bersentuhan dengan dinding tabung PTFE pada suhu 80{12}}100 derajat , fluida di lapisan batas memanas hingga suhu antara suhu dinding dan suhu curah. Viskositasnya turun secara signifikan. Viskositas yang berkurang meningkatkan perpindahan panas dibandingkan dengan prediksi perhitungan yang menggunakan viskositas suhu curah.
Umpan balik viskositas-suhu ini mengimbangi sebagian penalti aliran laminar. Penukar panas PTFE yang terlihat sangat kecil berdasarkan perhitungan viskositas curah mungkin dapat bekerja dengan baik karena fluida lapisan batas yang dipanaskan jauh lebih kental daripada yang diasumsikan.
Faktor penurunan rating yang tepat menyebabkan efek ini. Ini bukan pengali tetap namun merupakan fungsi dari hubungan viskositas-suhu larutan polimer spesifik.
Tabel 1: Faktor Penurunan Nilai U-untuk Penukar Panas PTFE dalam Cairan Viskositas{2}}Tinggi
| Viskositas Cairan Curah pada Suhu Operasional (cP) | Suhu-Sensitivitas Viskositas | Nilai U-yang Direkomendasikan (W/m²·K) | Faktor Penurunan Daya Relatif terhadap Air (280 W/m²·K) | Catatan |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (seperti air) | Rendah | 250-280 | 0.9-1.0 | Penalti viskositas dapat diabaikan |
| 10-50 | Sedang | 180-240 | 0.65-0.85 | Efek laminar ringan |
| 50-200 | Sedang-Tinggi | 120-180 | 0.43-0.65 | Aliran laminar dominan |
| 200-500 | Tinggi | 80-130 | 0.29-0.46 | Umpan balik viskositas-suhu yang kuat |
| 500-2,000 | Tinggi | 60-100 | 0.21-0.36 | Umpan balik yang signifikan; agitasi sangat bermanfaat |
| 2,000-10,000 | Sangat tinggi | 40-70 | 0.14-0.25 | Agitasi mekanis penting; konveksi alami dapat diabaikan |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Untuk cairan diam, kurangi nilai U-sebesar 30-50%.
Pengganda Agitasi
Dalam fluida dengan-viskositas tinggi, konveksi alami lemah atau tidak ada. Perpindahan panas bergantung sepenuhnya pada konveksi paksa dari agitasi mekanis. Tanpa agitasi, lapisan cairan yang dipanaskan di sekitar tabung PTFE akan mengalami stagnasi. Perpindahan panas turun ke konduksi-kecepatan terbatas.
Nilai U-dalam tabel mengasumsikan agitasi mekanis yang memadai. Untuk tangki tanpa agitasi mekanis, nilai U-harus dikurangi sebanyak 30-50%. Desain penukar panas PTFE harus menyertakan spesifikasi agitasi sebagai bagian integral dari ukuran termal.
Untuk fluida dengan viskositas di atas 2.000 cP, pengadukan mekanis bukanlah suatu pilihan-hal ini merupakan persyaratan untuk mencapai laju perpindahan panas yang berguna. Daya agitator dan desain impeler harus ditentukan di samping luas permukaan penukar panas.
Mengukur Margin untuk Ketidakpastian
Data viskositas untuk larutan polimer sering diukur pada beberapa suhu diskrit dan diekstrapolasi. Ekstrapolasi menimbulkan ketidakpastian dalam penghitungan nilai U-. Margin ukuran konservatif sebesar 15-25% luas permukaan tambahan direkomendasikan untuk aplikasi di mana kualitas data viskositas tidak pasti.
Uji perpindahan panas-skala percontohan dengan fluida proses sebenarnya, jika memungkinkan, akan menghasilkan data nilai U-yang paling andal. Pengujian ini menggunakan kumparan PTFE kecil yang direndam dalam sampel fluida proses, dengan masukan panas dan respons suhu terukur. Nilai U-yang dihasilkan diskalakan ke penukar-ukuran penuh tanpa menurunkan ketidakpastian.
Ringkasan
Penukar panas PTFE yang beroperasi dalam-larutan polimer dengan viskositas tinggi memerlukan faktor penurunan nilai U-sebesar 0,14 hingga 0,85 relatif terhadap nilai desain-berbasis air, bergantung pada viskositas curah dan sensitivitas suhu. Efek umpan balik viskositas-suhu pada lapisan batas yang dipanaskan sebagian mengimbangi penalti aliran laminar.
Agitasi mekanis sangat penting untuk perpindahan panas yang berguna dalam cairan di atas 500 cP. Ukuran margin sebesar 15-25% menyebabkan ketidakpastian data viskositas. Untuk aplikasi kritis, pengujian perpindahan panas skala pilot menghilangkan ketidakpastian penurunan daya.
Analisis teknik untuk ukuran penukar panas PTFE dalam aplikasi-viskositas tinggi tertentu tersedia setelah menyerahkan data suhu-viskositas fluida, rentang suhu pengoperasian, metode dan intensitas agitasi, serta tugas panas yang diperlukan.
