粘度ペナルティ
熱伝達の教科書には、中程度の速度における水のような流体の U 値の推定値が記載されています。{0}{1}{0}これらの推定値は、粘度が 100 ～ 10,000 センチポアズの範囲の高{3}}ポリマー溶液-ポリビニル アルコール、カルボキシメチル セルロース、または濃縮ラテックス エマルション-に適用すると当てはまりません。
これらの流体では、レイノルズ数が低くなります。流れは層流です。熱境界層は厚い。自然対流が抑えられます。 PTFE 熱交換器の全体的な熱伝達係数は、水で達成可能な 280 W/m²・K の 3 分の 1 から 5 分の 1 である 50-100 W/m²・K-1- に低下する可能性があります。
水ベースの U 値にディレーティング係数を適用するのが標準的な設計アプローチです。{0}{1}しかし、粘度は温度に依存するため、単一のディレーティング係数では不十分です。-。高温の PTFE 表面近くの流体は、バルク流体よりも粘度が低くなります。これにより、単純な一定のディレーティング係数では捉えられない、自己強化型の熱伝達効果が生じます。-
温度-粘度フィードバック
ポリマー溶液は強い温度{0}}粘度依存性を示します。 25 度で 1,000 cP の粘度を持つ溶液は、60 度でわずか 200 cP の粘度を持つ可能性があります。-これは 5 分の 1 の減少です。この流体が 80-100 度で PTFE チューブ壁に接触すると、境界層内の流体は壁温度とバルク温度の間の温度まで加熱されます。粘度が大幅に低下します。粘度の低下により、バルク温度粘度を使用した計算で予測される熱伝達に比べて熱伝達が向上します。
この温度-のフィードバックにより、層流のペナルティが部分的に相殺されます。バルク粘度の計算に基づくと大幅に小さく見える PTFE 熱交換器でも、加熱された境界層流体の粘性が想定よりはるかに低いため、適切に機能する可能性があります。
適切なディレーティング係数により、この影響が考慮されます。これは固定された乗数ではなく、特定のポリマー溶液の粘度-温度の関係の関数です。
表 1: 高粘度流体における PTFE 熱交換器の U- 値ディレーティング係数
| 動作温度におけるバルク流体粘度 (cP) | 温度-粘度感度 | 推奨される U- 値 (W/m²・K) | 水に対する定格軽減係数 (280 W/m²・K) | 注意事項 |
|---|---|---|---|---|
| 1-10（水のようなもの） | 低い | 250-280 | 0.9-1.0 | 粘度ペナルティは無視できる程度 |
| 10-50 | 適度 | 180-240 | 0.65-0.85 | 軽度の層流効果 |
| 50-200 | 中程度-高い | 120-180 | 0.43-0.65 | 層流支配 |
| 200-500 | 高い | 80-130 | 0.29-0.46 | 強力な温度-粘度フィードバック |
| 500-2,000 | 高い | 60-100 | 0.21-0.36 | 重要なフィードバック。撹拌は非常に有益 |
| 2,000-10,000 | 非常に高い | 40-70 | 0.14-0.25 | 機械的撹拌が必須。自然対流は無視できる |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100）。静止流体の場合は、U- 値を 30 ～ 50% 減らします。
撹拌の乗数
高粘度の流体では、自然対流が弱いか、存在しません。-熱伝達は完全に機械的撹拌による強制対流に依存しています。撹拌しないと、PTFE チューブの周囲の加熱された流体層が停滞します。熱伝達は伝導制限速度まで低下します。-
表内の U- 値は、適切な機械的撹拌を前提としています。機械的撹拌のないタンクの場合は、U- 値をさらに 30 ～ 50% 減らす必要があります。 PTFE 熱交換器の設計には、熱サイジングの不可欠な部分として撹拌仕様を含める必要があります。
粘度が 2,000 cP を超える流体の場合、機械的撹拌は必須ではありません。-有効な熱伝達率を達成するためには機械的撹拌が必須です。撹拌機の出力とインペラの設計は、熱交換器の表面積とともに指定する必要があります。
不確実性に対するサイジングマージン
ポリマー溶液の粘度データは、多くの場合、いくつかの個別の温度で測定され、外挿されます。外挿により、U- 値の計算に不確実性が生じます。粘度データの品質が不確実な用途には、表面積を 15 ～ 25% 増やす控えめなサイズ設定マージンを推奨します。
可能であれば、実際のプロセス流体を使用したパイロット規模の熱伝達テストにより、最も信頼性の高い U- 値データが得られます。このテストでは、プロセス流体のサンプルに浸した小さな PTFE コイルを使用し、入熱と温度応答を測定します。結果として得られる U- 値は、不確実性を軽減することなく、フルサイズの熱交換器に合わせてスケーリングされます。-
まとめ
高粘度ポリマー溶液で動作する PTFE 熱交換器には、バルク粘度と温度感度に応じて、水ベースの設計値に対して 0.14 ～ 0.85 の U 値ディレーティング係数が必要です。{0}{1}加熱された境界層における温度-の粘度フィードバック効果により、層流のペナルティが部分的に相殺されます。
500 cP を超える流体の有効な熱伝達には、機械的撹拌が不可欠です。粘度データの不確実性は、15-25% のサイズマージンによって説明されます。重要なアプリケーションでは、パイロットスケールの熱伝達テストによりディレーティングの不確実性が排除されます。
特定の高粘度用途における PTFE 熱交換器のサイジングに関する工学分析は、流体の粘度温度データ、動作温度範囲、撹拌方法と強度、必要な熱量を提出すると利用できます。{0}{1}
