Kaksi nestettä, jotka virtaavat samalla nopeudella PTFE-putken sisällä, voivat näyttää täysin erilaisen lämmönsiirtokäyttäytymisen. Vesi vaihtaa helposti lämpöä putken seinämän kanssa, kun taas paksu lämpööljy näyttää kestävältä lämpötilan vaihtelua identtisistä virtausolosuhteista huolimatta. Eroa kuvaa pitkälti yksi dimensioimaton suure, joka tunnetaan nimellä Prandtl-luku.
LämpötekniikassaPrandtl-numero PTFE-vaihtimen lämpörajakerrosSuhde auttaa selittämään, kuinka viskositeetti ja lämmön diffuusio ovat vuorovaikutuksessa lämmitetyn tai jäähdytetyn pinnan lähellä. Tämä konsepti tulee erityisen tärkeäksi PTFE-lämmönvaihtimissa, joissa kemiallisesti aggressiivisia tai erittäin viskoosisia nesteitä käsitellään usein tiukasti kontrolloiduissa lämpöolosuhteissa.
Prandtl-numeron ymmärtäminen
Momentin diffuusion ja lämmön diffuusion suhde
Prandtl-luku vertaa sitä, kuinka helposti neste siirtää vauhtia suhteessa siihen, kuinka helposti se siirtää lämpöä. Yksinkertaisesti sanottuna se kuvaa, leviävätkö viskoosi- vai lämpövaikutukset nopeammin nesteen läpi.
Parametri määritellään seuraavasti:
Pr=momentumin diffuusiolämpödiffuusivuusPr=\\frac{\\text{momentum diffusivity}}{\\text{termal diffusivity}}Pr=lämpödiffuusivuusmomenttidiffuusivuus
Nesteen lämpö- ja viskoosipersoonallisuus on niputettu tähän yhteen numeroon, mikä tekee siitä yhden tärkeimmistä dimensiottomista ryhmistä konvektiivisessa lämmönsiirtoanalyysissä.
Tyypilliset Prandtl-lukualueet
Eri nesteillä on dramaattisesti erilaisia Prandtl-lukuja riippuen niiden fysikaalisista ominaisuuksista.
Yleisiä likimääräisiä arvoja ovat:
Ilma: noin 0,7
Vesi: tyypillisesti 2-7 lämpötilasta riippuen
Kevyet öljyt: 50-200
Raskaat öljyt: useita satoja
Glyseroli: yli 1000
Nestemäiset metallit, kuten elohopea: paljon alle 1
Nämä suuret erot vaikuttavat voimakkaasti lämpörajakerroksen kehittymiseen lämmönvaihtimien sisällä.
Rajakerrokset PTFE-vaihtimen sisällä
Nopeus rajakerroksen muodostuminen
Kun neste virtaa PTFE-putken tai -kanavan läpi, suoraan seinää koskettava neste hidastuu viskoosin kitkan vuoksi. Tämä luo nopeuden rajakerroksen, jossa nesteen nopeus muuttuu vähitellen nollasta seinässä täyteen bulkkinopeuteen kauempana.
Tämän kerroksen paksuus riippuu:
Nesteen viskositeetti
Virtausnopeus
Pinnan geometria
Reynoldsin numero
Korkeaviskositeisissa nesteissä liikemäärä hajoaa ulospäin suhteellisen tehokkaasti, jolloin nopeusrajakerros ulottuu kauemmas virtaukseen.
Terminen rajakerroksen muodostuminen
Samalla muodostuu lämpörajakerros lämmön siirtyessä seinän ja virtaavan nesteen väliin.
Tällä alueella nesteen lämpötila siirtyy seinämän lämpötilasta bulkkinesteen lämpötilaan.
Termisen rajakerroksen suhteellinen paksuus verrattuna nopeusrajakerrokseen riippuu voimakkaasti Prandtl-luvusta.
Kuinka korkean Prandtl-luvun nesteet käyttäytyvät
Ohuet lämpökerrokset viskoottisissa nesteissä
Korkean -Prandtl-lukumäärän nesteissä, kuten öljyissä tai glyserolissa, lämpö leviää paljon hitaammin kuin liikemäärä.
Seurauksena:
Nopeusrajakerroksesta tulee suhteellisen paksu
Terminen rajakerros pysyy suhteellisen ohuena
Tämä tarkoittaa, että lämpötilan muutoksia tapahtuu hyvin kapealla alueella lähellä seinää.
Tuloksena on jyrkempi lämpötilagradientti suoraan lämmönsiirtopinnalla.
Paikallinen lämmönsiirron tehostus
Jyrkempi seinämän lämpötilagradientti lisää hieman paikallista konvektiivista lämmönsiirtokerrointa.
Tämä vaikutus saattaa vaikuttaa vastakohtaiselta, koska öljyjä pidetään usein huonoina lämmönsiirtonesteinä. Kuitenkin rajapinnan-kerrosten näkökulmasta ohuempi lämpökerros voi paikallisesti parantaa seinämän lämmönsiirtokäyttäytymistä verrattuna erittäin alhaisen -Prandtl--luvun nesteisiin.
Esimerkiksi nestemäisillä metalleilla, kuten elohopealla, on erittäin alhainen Prandtl-luku. Näissä nesteissä lämpö leviää nopeasti virtauskentän poikki, jolloin syntyy paljon paksumpi lämpörajakerros verrattuna nopeuskerrokseen.
Paikallinen seinän lämpötilagradientti tulee siksi vähemmän jyrkkä.
Miksi öljyt edelleen siirtävät lämpöä huonosti kaiken kaikkiaan
Lämmönjohtavuus on edelleen hallitseva rajoitus
Vaikka korkean -Prandtl-määrän nesteet kehittävät ohuempia lämpörajakerroksia, nesteen alhainen lämmönjohtavuus rajoittaa silti voimakkaasti lämmönsiirtokykyä.
Useimmat öljyt johtavat lämpöä huonosti veteen verrattuna.
Siksi, vaikka paikallinen konvektiivinen käyttäytyminen hyötyy jossain määrin ohuesta lämpökerroksesta, neste itse vastustaa silti lämmön siirtymistä bulkkinesteen läpi.
Käytännössä viskoosisia nesteitä käsittelevät PTFE-vaihtimet vaativat usein:
Suuremmat lämmönsiirtoalueet
Pidemmät oleskeluajat
Suuremmat virtausnopeudet
Lisääntynyt turbulenssin edistäminen
Suuremmat vaihtimen jalanjäljet
Hyödyllinen Prandtl-lukuvaikutus parantaa paikallista konvektiokäyttäytymistä, mutta ei täysin voita viskoosien nesteiden luontaisia lämpörajoituksia.
Prandtl-numeron PTFE-vaihtimen lämpörajakerroksen suunnittelun vaikutukset
PTFE-vaihtimet käsittelevät yleensä korkeita{0}}Prandtl-nesteitä
PTFE-lämmönvaihtimet valitaan usein syövyttäviin tai kemiallisesti aggressiivisiin sovelluksiin, joihin kuuluvat:
Hapot
Liuottimet
Konsentroituja kemikaaleja
Lämpööljyt
Polymeeriliuokset
Farmaseuttiset prosessinesteet
Monilla näistä nesteistä on kohonnut viskositeetti ja vastaavasti korkea Prandtl-luku.
Viskoosisen virtauksen ja lämmön diffuusion välisen vuorovaikutuksen ymmärtäminen on välttämätöntä vaihtimen tarkan mitoituksen ja lämmön ennustamisen kannalta.
Lämmönsiirtokorrelaatiot sisältävät Prandtl-efektit
Useimmat teollisuuslämmönvaihtimen suunnitteluyhtälöt sisältävät nimenomaisesti Prandtl-luvun termisen rajakerroksen käyttäytymisen huomioon ottamiseksi.
Tyypilliset Nusselt-lukukorrelaatiot sisältävät Prandtl-eksponentteja lähellä:
Nu∝Pr0.3 (jäähdytys)Nu \\propto Pr^{0.3}\\ \\text{(jäähdytys)}Nu∝Pr0.3 (jäähdytys)
ja
Nu∝Pr0.4 (lämmitys)Nu \\propto Pr^{0.4}\\ \\text{(lämmitys)}Nu∝Pr0.4 (lämmitys)
Nämä eksponentit ilmaisevat, kuinka lämmönsiirtokyky muuttuu nesteen lämpödiffuusioominaisuuksien muuttuessa.
Pienetkin muutokset Prandtl-luvussa voivat vaikuttaa ennustettuihin lämmönsiirtokertoimiin merkittävästi.
Miksi lämpötilalla on väliä
Prandtl-luku muuttuu lämpötilan mukaan
Yksi tärkeä komplikaatio on, että Prandtl-luku ei ole vakio.
Erityisesti öljyjen viskositeetti muuttuu nopeasti lämpötilan mukaan. Koska viskositeetti vaikuttaa voimakkaasti liikemäärän diffuusiivisuuteen, Prandtl-luku voi vaihdella dramaattisesti käyttölämpötila-alueella.
Öljyn lämpötilan noustessa:
Viskositeetti laskee
Vauhdin diffuusio muuttuu
Prandtl-luku laskee usein huomattavasti
Tarkka PTFE-vaihtimen suunnittelu edellyttää siksi nesteen ominaisuuksien arvioimista realistisissa käyttölämpötiloissa sen sijaan, että luottaisimme huoneen{0}}lämpötilatietoihin.
Paikalliset olosuhteet voivat vaihdella vaihtimen mukaan
Pitkien PTFE-vaihtimien sisällä nesteen ominaisuudet voivat kehittyä jatkuvasti lämmityksen tai jäähdytyksen edetessä.
Tämä tarkoittaa:
Terminen rajakerroksen paksuus muuttuu virtausreittiä pitkin
Paikalliset lämmönsiirtokertoimet vaihtelevat
Painehäviön ominaisuudet muuttuvat samanaikaisesti
Kehittyneet lämpömallit ottavat usein huomioon nämä muuttuvat ominaisuudet asteittain koko vaihtimen pituuden ajan.
PTFE-pinnan ominaisuudet ja rajakerroksen käyttäytyminen
Sileät fluoripolymeeripinnat
PTFE-pinnat ovat luonnostaan sileitä ja tarttumattomia, mikä vaikuttaa sekä hydrodynaamiseen että termiseen rajakerroksen kehittymiseen.
Sileä seinämä vähentää likaantumisen kertymistä ja tukee suhteellisen vakaata virtauskäyttäytymistä. Se voi kuitenkin myös vähentää turbulenssin muodostumista verrattuna karheampiin metallipintoihin.
Viskoosisille, suuren -Prandtl-lukumäärän nesteille turbulenssia edistäviä tekniikoita otetaan joskus tarkoituksella käyttöön lämpörajakerroksen ohenemiseksi edelleen ja vaihtimen tehokkuuden parantamiseksi.
Näitä menetelmiä voivat olla:
Aallotettu putki
Helical insertit
Virtausta häiritsevät aineet
Usean{0}}passin määritykset
Johtopäätös
Prandtl-luku on yksi piilotetuista fysikaalisista ominaisuuksista, joka paljastaa, kuinka nesteen viskositeetti ja lämpödiffuusio-ominaisuudet ovat vuorovaikutuksessa lämmönsiirtopinnan lähellä. Viskoosisia nesteitä käsittelevissä PTFE-vaihtimissa suuret Prandtl-luvut tuottavat suhteellisen ohuita lämpörajakerroksia verrattuna nopeusrajakerroksiin, mikä luo jyrkempiä seinämän lämpötilagradientteja ja hieman tehostunutta paikallista konvektiivista lämmönsiirtokäyttäytymistä.
Samaan aikaan monien öljyjen luonnostaan alhainen lämmönjohtavuus rajoittaa edelleen vaihtimen yleistä suorituskykyä, mikä vaatii huolellista mitoitusta ja tarkkaa lämpömallinnusta. Koska Prandtl-luku muuttuu merkittävästi lämpötilan mukaan, erityisesti viskooseissa nesteissä, se on edelleen kriittinen syöttö luotettavien lämmönvaihtimen suunnittelulaskelmien kannalta.
Jokaisella prosessinesteellä on viime kädessä oma lämpökorttinsa, ja Prandtl-numero on yksi paljastavimmista siihen painetuista merkinnöistä.
