La penalità di viscosità
I libri di testo sul trasferimento di calore forniscono stime del valore U-per fluidi simili all'acqua-a velocità moderate. Queste stime falliscono se applicate a soluzioni polimeriche ad alta viscosità-alcool polivinilico, carbossimetilcellulosa o emulsioni concentrate di lattice-dove le viscosità vanno da 100 a 10.000 centipoise.
In questi fluidi il numero di Reynolds è basso. Il flusso è laminare. Lo strato limite termico è spesso. La convezione naturale viene soppressa. Il coefficiente di trasferimento termico complessivo per uno scambiatore di calore in PTFE può scendere a 50-100 W/m²·K-da-un terzo a un quinto dei 280 W/m²·K ottenibili con l'acqua.
L'applicazione di un fattore di declassamento al valore U-basato sull'acqua è l'approccio di progettazione standard. Ma un singolo fattore di declassamento non è sufficiente perché la viscosità dipende dalla temperatura-. Il fluido vicino alla superficie calda del PTFE ha una viscosità inferiore rispetto al fluido sfuso. Ciò crea un effetto di trasferimento di calore auto-potenziante che un semplice fattore di declassamento costante non riesce a catturare.
Il feedback sulla temperatura-viscosità
Le soluzioni polimeriche mostrano una forte dipendenza dalla temperatura-viscosità. Una soluzione con una viscosità di 1.000 cP a 25 gradi può avere una viscosità di soli 200 cP a 60 gradi -una riduzione di cinque volte. Quando questo fluido entra in contatto con la parete di un tubo in PTFE a 80-100 gradi, il fluido nello strato limite si riscalda fino a una temperatura compresa tra quella della parete e quella della massa. La sua viscosità diminuisce notevolmente. La viscosità ridotta migliora il trasferimento di calore rispetto a quanto previsto da un calcolo utilizzando la viscosità alla temperatura di massa.
Questo feedback sulla temperatura-viscosità compensa parzialmente la penalizzazione del flusso laminare. Uno scambiatore di calore in PTFE che sembrerebbe notevolmente sottodimensionato in base ai calcoli della viscosità apparente può funzionare adeguatamente perché il fluido dello strato limite riscaldato è molto meno viscoso di quanto ipotizzato.
Il fattore di declassamento corretto tiene conto di questo effetto. Non è un moltiplicatore fisso ma una funzione della relazione viscosità-temperatura della specifica soluzione polimerica.
Tabella 1: Fattori di declassamento del valore U-per scambiatori di calore in PTFE in fluidi ad alta-viscosità
| Viscosità del fluido sfuso alla temperatura operativa (cP) | Sensibilità alla temperatura-viscosità | Valore U- consigliato (W/m²·K) | Fattore di declassamento relativo all'acqua (280 W/m²·K) | Note |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (simile all'acqua) | Basso | 250-280 | 0.9-1.0 | Penalità di viscosità trascurabile |
| 10-50 | Moderare | 180-240 | 0.65-0.85 | Lievi effetti laminari |
| 50-200 | Moderato-Alto | 120-180 | 0.43-0.65 | Dominante il flusso laminare |
| 200-500 | Alto | 80-130 | 0.29-0.46 | Forte feedback sulla viscosità-della temperatura |
| 500-2,000 | Alto | 60-100 | 0.21-0.36 | Feedback significativo; l'agitazione è estremamente benefica |
| 2,000-10,000 | Molto alto | 40-70 | 0.14-0.25 | Agitazione meccanica essenziale; convezione naturale trascurabile |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Per i fluidi tranquilli, ridurre i valori U-del 30-50%.
Il moltiplicatore dell’agitazione
Nei fluidi ad alta-viscosità, la convezione naturale è debole o assente. Il trasferimento di calore si basa interamente sulla convezione forzata derivante dall'agitazione meccanica. Senza agitazione, lo strato di fluido riscaldato attorno ai tubi in PTFE ristagna. Il trasferimento di calore scende a velocità di conduzione-limitate.
I valori U- nella tabella presuppongono un'agitazione meccanica adeguata. Per i serbatoi senza agitazione meccanica, i valori U- dovrebbero essere ridotti di un ulteriore 30-50%. Il progetto dello scambiatore di calore in PTFE deve includere le specifiche di agitazione come parte integrante del dimensionamento termico.
Per i fluidi con viscosità superiore a 2.000 cP, l'agitazione meccanica non è facoltativa-è un requisito per ottenere velocità di trasferimento del calore utili. La potenza dell'agitatore e il design della girante devono essere specificati insieme alla superficie dello scambiatore di calore.
Margine di dimensionamento per l'incertezza
I dati sulla viscosità per le soluzioni polimeriche vengono spesso misurati a poche temperature discrete ed estrapolati. L'estrapolazione introduce incertezza nel calcolo del valore U-. Per le applicazioni in cui la qualità dei dati sulla viscosità è incerta, si consiglia un margine di dimensionamento conservativo pari al 15-25% di superficie aggiuntiva.
Un test pilota sul trasferimento di calore su scala-con il fluido di processo reale, se fattibile, fornisce i dati sul valore U-più affidabili. Il test utilizza una piccola bobina in PTFE immersa in un campione del fluido di processo, con apporto di calore e risposta alla temperatura misurati. Il valore U- risultante viene adattato allo scambiatore a grandezza naturale-senza incertezza di declassamento.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore in PTFE che funzionano in soluzioni polimeriche ad alta-viscosità richiedono fattori di declassamento del valore U-da 0,14 a 0,85 rispetto ai valori di progettazione-basati sull'acqua, a seconda della viscosità apparente e della sensibilità alla temperatura. L'effetto feedback della temperatura-viscosità nello strato limite riscaldato compensa parzialmente la penalizzazione del flusso laminare.
L'agitazione meccanica è essenziale per un utile trasferimento di calore nei fluidi superiori a 500 cP. I margini di dimensionamento del 15-25% tengono conto dell'incertezza dei dati sulla viscosità. Per le applicazioni critiche, i test di trasferimento del calore su scala pilota eliminano l'incertezza del declassamento.
L'analisi tecnica per il dimensionamento degli scambiatori di calore in PTFE in specifiche applicazioni ad alta-viscosità è disponibile previa presentazione dei dati sulla viscosità-del fluido, sull'intervallo di temperature di esercizio, sul metodo e sull'intensità di agitazione e sul carico termico richiesto.
