Un impianto chimico specializzato aveva bisogno di riscaldare una soluzione polimerica con una viscosità di circa 20.000 mPa·s alla temperatura operativa. Il riscaldatore a immersione in PTFE esistente si era guastato dopo quattro mesi. La guaina mostrava una fascia morbida e con bolle lungo la sezione inferiore riscaldata e la resistenza di isolamento era scesa al di sotto di 10 MΩ. Il riscaldatore era stato specificato a 1,2 W/cm², che era appropriato per l'acqua ma troppo aggressivo per la soluzione polimerica viscosa.
I fluidi ad alta viscosità rappresentano una sfida fondamentale per il trasferimento di calore. Lo spesso strato limite termico sulla superficie del riscaldatore intrappola il calore e la temperatura della superficie del riscaldatore aumenta molto al di sopra della temperatura del fluido sfuso. La densità di watt sicura diminuisce proporzionalmente alla viscosità. La configurazione del riscaldatore deve essere progettata per fornire l'area superficiale richiesta a bassa densità di watt e il flusso sulla superficie del riscaldatore deve essere mantenuto per ridurre lo spessore dello strato limite.
Il problema del trasferimento di calore nei fluidi ad alta viscosità
In un fluido con viscosità 100 volte quella dell'acqua, il coefficiente di scambio termico convettivo è pari al 10–20% del valore dell'acqua. La differenza di temperatura necessaria per trasferire un dato flusso di calore è corrispondentemente maggiore. Per un riscaldatore che funziona a 1,0 W/cm² in un fluido con viscosità 100×, il divario tra la temperatura tra la superficie-e-la massa può essere di 40–60 gradi.
L'elevata temperatura superficiale accelera la degradazione del PTFE. Il polimero si ammorbidisce, perde stabilità dimensionale e diventa più permeabile. Il riscaldatore si guasta dall'esterno verso l'interno.
| Viscosità del fluido | Relativo all'acqua | Coefficiente convettivo | ΔT superficiale a 1,0 W/cm² | Densità di Watt sicura |
|---|---|---|---|---|
| Acqua | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 gradi | 1,5–2,0 W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 gradi | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 gradi | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 gradi | 0,4–0,6 W/cm² |
Trasferimento di calore e densità di watt sicura per fluidi ad alta viscosità
La configurazione-multipass
Una configurazione multi-passaggio distribuisce la superficie riscaldante su un'area più ampia, riducendo la densità di watt per unità di area. I passaggi sono disposti per massimizzare la superficie all'interno del volume disponibile del serbatoio e per consentire il flusso tra di essi.
Per un servizio di 6 kW a 0,7 W/cm², la superficie richiesta è di 8.571 cm². Un riscaldatore multi-passo con diametro della guaina di 50 mm e otto passaggi da 700 mm ciascuno fornisce circa 8.796 cm²-sufficienti per il servizio. I passaggi sono distanziati di 40–50 mm l'uno dall'altro per consentire il flusso tra di loro.
| Potenza | Densità di Watt sicura | Superficie richiesta | Passa alla guaina da 50 mm | Lunghezza del passaggio | Passare la spaziatura |
|---|---|---|---|---|---|
| 3kW | 0,7 W/cm² | 4.286 cm² | 4 | 700 mm | 40 mm |
| 4kW | 0,7 W/cm² | 5.714 cm² | 5 | 700 mm | 40 mm |
| 5kW | 0,7 W/cm² | 7.143 cm² | 7 | 700 mm | 45 mm |
| 6kW | 0,7 W/cm² | 8.571 cm² | 8 | 700 mm | 45 mm |
| 8kW | 0,7 W/cm² | 11.429 cm² | 10 | 700 mm | 50 mm |
Configurazioni multi-passaggio per soluzioni polimeriche ad alta viscosità
Aumento del flusso per fluidi viscosi
Una configurazione multi-passaggio da sola non è sufficiente in un fluido viscoso. Il flusso sulla superficie del riscaldatore deve essere mantenuto per ridurre lo spessore dello strato limite. Un eiettore dedicato o una piccola pompa di ricircolo possono dirigere il flusso attraverso i passaggi.
Una velocità locale di 0,3–0,5 m/s è sufficiente per ridurre lo spessore dello strato limite e abbassare la temperatura superficiale di 15–25 gradi. Non è necessario che il flusso sia forte-deve essere diretto verso la superficie del riscaldatore.
| Metodo di aumento del flusso | Velocità locale | Riduzione ΔT superficiale | Attuazione |
|---|---|---|---|
| Eduttore al riscaldatore | 0.3–0.5 m/s | 15-25 gradi | Piccola pompa o aria compressa |
| Circuito di ricircolo | 0.4–0.6 m/s | 20-30 gradi | Pompa e tubazioni |
| Agitazione meccanica | 0.2–0.4 m/s | 10-20 gradi | Agitatore o agitatore |
| Tubo di spargenza | 0.1–0.2 m/s | 8-15 gradi | Aria compressa |
Metodi di aumento del flusso per fluidi viscosi
Considerazioni sulla geometria del reattore
Un reattore chimico ha spesso una geometria diversa da una vasca galvanica. Il reattore può essere cilindrico con una cupola superiore e inferiore, con un albero agitatore centrale e deflettori. Lo spazio disponibile per un riscaldatore è limitato alla regione anulare tra l'agitatore e la parete del serbatoio.
Una configurazione curva multi-passaggio che segue la parete del vaso massimizza la superficie all'interno dello spazio anulare. I passaggi sono disposti ad anello attorno all'agitatore, con canali di flusso tra di loro.
Quando non è possibile utilizzare un riscaldatore standard
Se il reattore non è in grado di ospitare la superficie richiesta per una bassa densità di watt, le opzioni sono ridurre la potenza, accettare una durata di servizio più breve o utilizzare un metodo di riscaldamento alternativo. Uno scambiatore di calore esterno può essere più adatto per il servizio viscoso perché può fornire una superficie maggiore in un volume più piccolo.
Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con passaggi multipli, bassa densità di watt e aumento del flusso è progettata per soluzioni polimeriche ad alta viscosità. Il processo di specifica richiede la viscosità del fluido alla temperatura operativa, le dimensioni del recipiente, il tipo e la velocità dell'agitatore, la potenza richiesta e il requisito di uniformità della temperatura.
