특수 화학 공장에서는 작동 온도에서 점도가 약 20,000mPa·s인 폴리머 용액을 가열해야 했습니다. 기존 PTFE 침지 히터는 4개월 후에 고장이 났습니다. 피복은 가열된 하부 부분을 따라 부드럽고 기포가 있는 띠를 보였으며 절연 저항은 10MΩ 아래로 떨어졌습니다. 히터는 1.2W/cm²로 지정되었는데, 이는 물에는 적합하지만 점성 폴리머 용액에는 너무 공격적입니다.
고점도 유체는 근본적인 열 전달 문제를 제시합니다. 히터 표면의 두꺼운 열 경계층은 열을 가두어 히터 표면 온도가 벌크 유체 온도보다 훨씬 높아집니다. 안전한 와트 밀도는 점도에 비례하여 떨어집니다. 히터 구성은 낮은 와트 밀도에서 필요한 표면적을 제공하도록 설계되어야 하며 히터 표면의 흐름은 경계층 두께를 줄이기 위해 유지되어야 합니다.
고점도 유체의 열전달 문제
점도가 물의 100배인 유체에서 대류 열전달 계수는 물 값의 10~20%입니다. 주어진 열 유속을 전달하는 데 필요한 온도 차이는 그에 따라 더 높습니다. 100× 점도 유체에서 1.0 W/cm²로 작동하는 히터의 경우 표면-과-벌크 온도 차이가 40~60도일 수 있습니다.
표면 온도가 높으면 PTFE 분해가 가속화됩니다. 폴리머가 부드러워지고 치수 안정성이 떨어지며 투과성이 높아집니다. 히터가 외부에서 내부로 고장납니다.
| 유체 점도 | 물에 상대적 | 대류 계수 | 1.0W/cm²에서 표면 ΔT | 안전한 와트 밀도 |
|---|---|---|---|---|
| 물 | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12~18도 | 1.5~2.0W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25~35도 | 1.0~1.3W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40~60도 | 0.6~0.9W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60~90도 | 0.4~0.6W/cm² |
고점도 유체에 대한 열 전달 및 안전한 와트 밀도
멀티-패스 구성
멀티{0}}패스 구성은 가열 표면을 더 넓은 영역에 분산시켜 단위 면적당 와트 밀도를 줄입니다. 패스는 사용 가능한 용기 부피 내에서 표면적을 최대화하고 이들 사이의 흐름을 허용하도록 배열됩니다.
0.7W/cm²에서 6kW 듀티의 경우 필요한 표면적은 8,571cm²입니다. 보호관 직경이 50mm이고 각각 700mm의 8개 패스를 갖춘 멀티{5}}패스 히터는 작업에 충분한 약 8,796cm²-를 제공합니다. 패스 사이의 흐름을 허용하기 위해 패스는 40~50mm 간격으로 배치됩니다.
| 와트수 | 안전한 와트 밀도 | 필요한 표면적 | 50mm 외장에서 통과 | 패스 길이 | 패스 간격 |
|---|---|---|---|---|---|
| 3kW | 0.7W/cm² | 4,286cm² | 4 | 700mm | 40mm |
| 4kW | 0.7W/cm² | 5,714cm² | 5 | 700mm | 40mm |
| 5kW | 0.7W/cm² | 7,143cm² | 7 | 700mm | 45mm |
| 6kW | 0.7W/cm² | 8,571cm² | 8 | 700mm | 45mm |
| 8kW | 0.7W/cm² | 11,429cm² | 10 | 700mm | 50mm |
고점도 폴리머 용액을 위한 다중{0}}통과 구성
점성 유체에 대한 흐름 확대
점성 유체에서는 멀티{0}}패스 구성만으로는 충분하지 않습니다. 경계층 두께를 줄이려면 히터 표면의 흐름을 유지해야 합니다. 전용 추출기 또는 소형 재순환 펌프는 흐름을 패스 전체로 유도할 수 있습니다.
0.3~0.5m/s의 국부 속도는 경계층 두께를 줄이고 표면 온도를 15~25도 낮추는 데 충분합니다. 흐름은 강할 필요는 없습니다.-히터 표면을 향해야 합니다.
| 흐름 확대 방법 | 로컬 속도 | 표면 ΔT 감소 | 구현 |
|---|---|---|---|
| 히터의 이덕터 | 0.3–0.5 m/s | 15~25도 | 소형 펌프 또는 압축 공기 |
| 재순환 루프 | 0.4–0.6 m/s | 20~30도 | 펌프 및 배관 |
| 기계적 교반 | 0.2–0.4 m/s | 10~20도 | 교반기 또는 교반기 |
| 살포 파이프 | 0.1–0.2 m/s | 8~15도 | 압축공기 |
점성 유체의 흐름 증대 방법
원자로 형상 고려 사항
화학 반응기는 종종 도금 탱크와 다른 기하학적 구조를 가지고 있습니다. 반응기는 중앙 교반 샤프트와 배플을 갖춘 돔형 상단과 하단을 갖춘 원통형일 수 있습니다. 히터에 사용할 수 있는 공간은 교반기와 용기 벽 사이의 환형 영역으로 제한됩니다.
혈관 벽을 따르는 곡선형 멀티패스 구성은 환형 공간 내의 표면적을 최대화합니다. 패스는 교반기 주변의 링에 배열되며 그 사이에 흐름 채널이 있습니다.
표준 히터를 사용할 수 없는 경우
반응기가 낮은 와트 밀도에 필요한 표면적을 수용할 수 없는 경우 옵션은 와트 수를 줄이거나 더 짧은 서비스 수명을 수용하거나 대체 가열 방법을 사용하는 것입니다. 외부 열 교환기는 더 작은 부피로 더 많은 표면적을 제공할 수 있으므로 점성 서비스에 더 적합할 수 있습니다.
다중 패스, 낮은 와트 밀도 및 흐름 증대 기능을 갖춘 맞춤형 PTFE 침지 히터 구성은 고점도 폴리머 솔루션용으로 설계되었습니다. 사양 프로세스에는 작동 온도에서의 유체 점도, 용기 크기, 교반기 유형 및 속도, 필요한 전력량, 온도 균일성 요구 사항이 필요합니다.
