高粘度ポリマー溶液に対応する PTFE 浸漬ヒーター構成はどれですか?

特殊化学プラントでは、粘度が約 20,000 mPa・s のポリマー溶液を動作温度で加熱する必要がありました。既存の PTFE 浸漬ヒーターは 4 か月後に故障しました。シースの下部加熱部分に沿って柔らかい水ぶくれの帯が見られ、絶縁抵抗は 10 MΩ 未満に低下していました。ヒーターは 1.2 W/cm2 に指定されていましたが、これは水には適切でしたが、粘性ポリマー溶液にはあまりにも強力すぎました。

高粘度の流体には、根本的な熱伝達の課題があります。ヒーター表面の厚い熱境界層が熱を閉じ込め、ヒーター表面温度がバルク流体温度をはるかに超えて上昇します。安全なワット密度は粘度に比例して低下します。ヒーターの構成は、低ワット密度で必要な表面積を提供するように設計する必要があり、境界層の厚さを減らすためにヒーター表面の流れを維持する必要があります。

高粘度流体における熱伝達の問題

水の 100 倍の粘度を持つ流体では、対流熱伝達係数は水の値の 10 ～ 20% になります。所定の熱流束を伝達するために必要な温度差は、それに応じてより大きくなります。粘度 100 倍の流体中で 1.0 W/cm2 で動作するヒーターの場合、表面-と-の温度差は 40 ～ 60 度になる可能性があります。

表面温度が高いと PTFE の劣化が促進されます。ポリマーは柔らかくなり、寸法安定性が失われ、浸透性が高まります。ヒーターが外側から故障します。

流体の粘度	水との関係	対流係数	1.0 W/cm2 での表面 ΔT	安全なワット密度
水	1×	1,000–2,000 W/m²·K	12～18度	1.5 ～ 2.0 W/cm2
10×	10×	300–600 W/m²·K	25～35度	1.0～1.3W/cm2
100×	100×	100–250 W/m²·K	40～60度	0.6 ～ 0.9 W/cm2
1,000×	1,000×	50–120 W/m²·K	60～90度	0.4～0.6 W/cm2

高粘度流体の熱伝達と安全なワット密度

マルチパス構成-

マルチパス構成により、加熱面がより広い面積に分散され、単位面積あたりのワット密度が減少します。{0}}パスは、利用可能な容器容積内の表面積を最大化し、それらの間の流れを可能にするように配置されます。

0.7 W/cm2 での 6 kW の負荷の場合、必要な表面積は 8,571 cm2 です。シース直径 50 mm のマルチパスヒーターと 700 mm のパスを 8 つ備えたマルチパスヒーターは、用途に十分な約 8,796 cm2-を提供します。パス間の流れを可能にするために、パスは 40 ～ 50 mm の間隔で配置されます。

ワット数	安全なワット密度	必要な表面積	50mmシースで通過	パスの長さ	パス間隔
3kW	0.7W/cm2	4,286平方センチメートル	4	700mm	40mm
4kW	0.7W/cm2	5,714平方センチメートル	5	700mm	40mm
5kW	0.7W/cm2	7,143平方センチメートル	7	700mm	45mm
6kW	0.7W/cm2	8,571平方センチメートル	8	700mm	45mm
8kW	0.7W/cm2	11,429平方センチメートル	10	700mm	50mm

高粘度ポリマー溶液用のマルチパス構成-

粘性流体の流れの増大

粘性流体では、マルチパス構成だけでは十分ではありません。-境界層の厚さを減らすには、ヒーター表面の流れを維持する必要があります。専用のエダクターまたは小型の再循環ポンプを使用して、パス全体に流れを導くことができます。

境界層の厚さを減少させ、表面温度を 15 ～ 25 度下げるには、0.3 ～ 0.5 m/s の局所速度で十分です。流れは強い必要はありません-ヒーター表面に向けられる必要があります。

フロー増強法	ローカルベロシティ	表面ΔTの減少	実装
ヒーター側エダクター	0.3–0.5 m/s	15～25度	小型ポンプまたは圧縮空気
再循環ループ	0.4–0.6 m/s	20～30度	ポンプと配管
機械的撹拌	0.2–0.4 m/s	10～20度	アジテーターまたはスターラー
スパージパイプ	0.1–0.2 m/s	8～15度	圧縮空気