ポリマー加工における層流加熱の課題
-ポリウレタン、シリコーン、エポキシ樹脂などの高粘度ポリマー溶融物（80 度で 15,000 cP）は、分注システム、反応射出成形、接着剤アプリケーターの加熱された PFA チューブを通って層流状態（Re < 100）で流れます。層流では、直管のヌッセルト数 (無次元熱伝達係数) が低く一定のままであり、放射状の温度勾配が生じ、ホット スポットや不均一な硬化が発生します。らせん状のチューブの形状により遠心力が誘発され、二次流れが生成され、流路に沿ってヌッセルト数が徐々に増加します。 24 のポリマー処理システムからの定量分析により、ヘリカル PFA チューブは同等の流量で直管よりも 3 ～ 5 倍高いヌッセルト数を達成し、15,000 cP の溶融物において最大半径方向温度差が 15 度から 4 度に減少することが示されています。
ストレート管とヘリカル管におけるヌッセルト数の推移
壁温度が一定の直管内で十分に発達した層流の場合、ヌッセルト数は管の長さに関係なく漸近値 3.66 に近づきます。これは、熱伝達係数が低い値で安定し、中心線の流体が壁よりもはるかに低温のままである放物線状の温度プロファイルを生成することを意味します。 15,000 cP の溶融物が 50 mL/min で流れる直径 12 mm のストレート PFA チューブ (Re=35) の場合、加熱長さ 500 mm 後にヌッセルト数は 3.7 に達し、熱伝達係数は 60 W/m²・K となります。チューブ出口での半径方向の温度差は 18 度 (壁は 120 度、中心は 102 度) です。曲率比 (チューブ直径/コイル直径) が 0.1 の螺旋チューブは、50 を超えるディーン数を生成し、流体を放射状に混合する二次渦を生成します。ヌッセルト数は流路に沿って増加し、10 回転後には 16 に達し、熱伝達係数は 260 W/m²・K、半径方向の温度差は 4 度になります。
ディーン番号と曲率の影響
ディーン数 (De=Re × (チューブ直径/コイル直径)^0.5) は、らせん状チューブ内の二次流れの強度を定量化します。 Re 35 のポリマー溶融物の場合、直管では De=0. が得られます。コイル直径 120 mm の螺旋管 (管直径/コイル直径=0.1) では De=35 × 0.316=11 が得られ、弱い二次流れとヌッセルト数 8 が生成されます。コイルを直径 60 mm (比=0.2) に締めると De=35 × 0.447=16 が得られ、ヌッセルトが生成されます。数値は 12 です。ポリマーの曲げ制限により、PFA チューブの実際の最大曲率比は 0.25 (12 mm チューブの場合はコイル直径 48 mm) です。この限界では、De=35 × 0.5=18、ヌッセルト数は 14 ～ 16 に達します。より高い粘度の溶融物 (30,000 cP、Re=18) では、最大 De=18 × 0.5=9 となり、ヌッセルト数は 9 ～ 10 となり、それでも直管より 2.5 倍高くなります。
らせん形状の圧力損失ペナルティ
らせん管内の熱伝達を高める二次流れも圧力損失を増加させます。 50 mL/min で 15,000 cP 溶融する長さ 1000 mm の真っ直ぐな PFA チューブの場合、圧力損失は 0.8 bar です。同じ展開長さ 1000 mm、コイル直径 60 mm (10 回巻き) の螺旋管は、2.4 bar の圧力損失を示し、200% 増加します。圧力降下比はディーン数の 2 乗に比例します。 De=18 の場合、摩擦係数は直管の 3.2 倍です。熱伝達の強化とポンピングパワーの間のトレードオフは、用途ごとに評価する必要があります。-ポンピング能力が制限されているディスペンスシステムの場合は、より高い温度の不均一性を許容できる、圧力降下の低い直管が好ましい場合があります。-。温度の均一性が最終部品の特性を決定する反応射出成形の場合、より高い圧力損失を持つ螺旋管が正当化されます。
形状別の熱性能の比較
| PFA チューブの形状と溶融粘度 | 学部長番号 | 1000mmでのヌッセルト数 | 熱伝達係数(W/m²・K) | 半径方向の温度差 (度) | 圧力損失 (bar/m) |
|---|---|---|---|---|---|
| ストレート、15,000 cP、50 mL/min | 0 | 3.7 | 60 | 18 | 0.8 |
| ヘリカル、120mm コイル、15,000 cP | 11 | 8 | 130 | 10 | 1.5 |
| ヘリカル、80mm コイル、15,000 cP | 14 | 12 | 195 | 6 | 2.0 |
| ヘリカル、60mm コイル、15,000 cP | 16 | 15 | 245 | 4 | 2.4 |
| ヘリカル、60mm コイル、30,000 cP | 9 | 9 | 145 | 12 | 3.2 |
入口長さと展開の流れ
螺旋管の熱伝達を高めるには、二次流れを完全に発生させるために数回の回転が必要です。 De=16 の螺旋管の場合、熱入口の長さは約 300mm (60mm コイルの場合は 5 回巻き) です。この長さより前では、ヌッセルト数は完全に展開された値よりも高くなりますが、熱伝達係数は場所に依存します-。短い加熱ゾーンの場合 (< 500mm), the straight tube may actually perform better than a helical tube with insufficient turns to develop secondary flow. When specifying helical PFA heaters for polymer melts, ensure the heated length contains at least 8 turns of the helical geometry to achieve stable enhanced Nusselt numbers. For applications where total length is constrained, consider multi-start helices (2 or 3 parallel helical channels in a single tube) which develop secondary flow in 2-3 turns due to channel interactions.
PFA の肉厚と曲率性能
座屈や壁の薄化を伴わずに螺旋状 PFA チューブを形成できるかどうかは、チューブの直径に対する壁の厚さに依存します。外径12mmのチューブの場合、肉厚1.5mmであれば変形することなくコイル径60mmまで曲げることができます。壁厚 2.5 mm の同じチューブでは、外壁の薄化 (応力による厚さの減少) を避けるために、最小コイル直径 100 mm が必要です。ディーン数が 15 を超える厳しい螺旋曲率が必要な用途の場合は、最大肉厚を 1.8 mm に指定してください。壁が厚くなると、コイルの直径が大きくなり（曲率比が低くなり）、ディーン数が減少し、それに伴う熱伝達の強化が行われます。耐薬品性のために 2.5 mm PFA 壁が必要な高粘度溶融サービスでは、最適なコイル直径は 100 mm (曲率比 0.12、50 mL/min で 15,000 cP の De=12)、ヌッセルト数は 9、半径方向温度差は 12 度になります。
ポリマー溶融ヒーターの仕様ガイダンス
半径方向の温度均一性が必要な高粘度ポリマー溶融加熱の場合は、曲率比 (チューブ直径/コイル直径) が少なくとも 0.15 であるヘリカル PFA チューブを指定します。これは、予想されるレイノルズ数の 12 を超えるディーン数に相当します。動作温度での溶融粘度と流量からレイノルズ数を計算します。加熱される長さの目標ヌッセルト数は少なくとも 10 で、これには通常 8 ～ 10 の螺旋回転が必要です。粘度が 30,000 cP を超える溶融物の場合、真っ直ぐなチューブまたは非常に緩やかな螺旋 (曲率比 < 0.08) では混合が不十分であるため、代替の加熱方法 (チューブ内のスタティック ミキサー、外部循環) を考慮する必要があります。見積もりを依頼する際は、最低および最高動作温度での溶融粘度、流量範囲、およびヒーター出口での最大許容半径方向温度差を提供してください。ポリマー加工の経験を持つサプライヤーは、数値流体力学を実行してヌッセルト数の進行を予測し、らせん形状が必要な熱均一性を達成していることを確認できます。ストレート PFA チューブを螺旋チューブに置き換える改造用途の場合は、既存のポンプが流量を減少させることなく、より高い圧力降下 (通常 2 倍から 3 倍) を実現できることを確認してください。ポンプ容量が不十分な場合は、熱伝達係数が高いため、同じ熱量でもチューブを短くできるため、らせん形状に切り替えるときに加熱長を 30% ～ 40% 減らすことを検討してください。 20% 短い螺旋管と 15,000 cP メルトの組み合わせにより、元の直管の 0.8 バールと 18 度に比べて、半径方向の温度差を 6 度未満に維持しながら圧力降下を 1.9 バールに低減します。
