Tuottostressihaaste
Ei--newtonilaiset nesteet, joissa on myötöraja-porauslietet, polymeeriliuokset, ruokatahnat ja tietyt farmaseuttiset lietteet-käyttäytyvät kiinteinä aineina, kunnes kohdistetaan kriittinen leikkausjännitys. Vain kun paikallinen leikkausjännitys ylittää myötörajan, neste virtaa. Lämmitetyssä säiliössä lämmönvaihdinputkien vieressä olevaa nestettä voidaan lämmittää riittävästi viskositeetin alentamiseksi, mutta jos lämpö kelluvuusvoimat ovat myötörajan alapuolella, kuumennettu neste ei nouse. Se pysyy paikallaan putkien ympärillä. Lämmönsiirto romahtaa konvektiosta johtumiseen.
Perinteiset lämmönvaihdinmallit, jotka on kehitetty newtonilaisia nesteitä varten, joissa luonnollinen konvektio varmistaa jatkuvan nesteen liikkeen, toimivat huonosti{0}}stressinesteiden tuottamisessa. Putkien etäisyys ja nippugeometria on suunniteltava erityisesti luomaan leikkausjännityksiä, jotka ylittävät myötörajan koko nestetilavuudessa, mikä varmistaa jatkuvan kierron ja tasaisen lämmityksen.
PTFE-lämmönvaihdin, jossa on räätälöity putkinipun geometria, korjaa tämän keskittämällä lämmityspinnan vyöhykkeille, joilla luonnollinen kelluvuus on vahvin, ja tarjoamalla virtauskanavia, jotka ohjaavat nesteen kiertoa.
Geometrian suunnittelun periaatteet
Putkinippu on järjestetty luomaan strukturoitu konvektiokuvio. Tasaisen ruudukon sijaan putket ryhmitellään pystypylväisiin, joiden välit ovat suuremmat kuin pylväiden sisällä. Pilarit toimivat lämmitettävinä savupiippuina. Pylväiden sisällä oleva neste kuumenee, sen viskositeetti laskee ja kelluvuus saa aikaan ylöspäin suuntautuvan virtauksen. Pylväiden väliset leveämmät raot tarjoavat paluuvirtausreittejä säiliön ylävyöhykkeiltä laskeutuvalle viileämmälle nesteelle.
Putkiväli kussakin kolonnissa on asetettu tuottamaan vierekkäisten putkien väliseen nesteeseen leikkausjännitys, joka ylittää myötörajan käyttölämpötilassa. Leikkausjännitys lasketaan lämmitettyyn neste-elementtiin ja putken pinta-alaan kohdistuvasta kelluvuusvoimasta. Jos laskettu leikkausjännitys on myötörajaa pienempi, putken etäisyyttä pienennetään leikkausnopeuden lisäämiseksi.
Nipun alaosassa, jossa neste on viilein ja myötöraja suurin, putket ovat tiiviimmin pakatut. Suurempi putken tiheys lisää paikallista kuumennusnopeutta ja nostevoimaa, mikä auttaa voittamaan myötörajan ja käynnistämään kierron. Nipun yläosassa, jossa neste on lämpimämpää ja myötöraja pienempi, putkiväli voi olla leveämpi.
| Paketin geometriaparametri | Newtonin Fluid Design | Yield-Stress Fluid Design |
|---|---|---|
| Putkijärjestely | Tasainen ruudukko | Pystysuuntaiset sarakkeet, joissa on leveämmät sarakkeiden väliset{0}}raot |
| Sarakkeensisäinen-putkiväli | 2,0-2,5 × putken ulkohalkaisija | 1,5-2,0 × putken ulkohalkaisija (tiukempi suurempaan leikkausvoimaan) |
| Sarakkeiden välinen -väli | Sama kuin intra{0}}sarake | 3,0-5,0 × putken ulkohalkaisija (paluuvirtauskanavat) |
| Pohjavyöhykkeen putken tiheys | Univormu | 20-30 % korkeampi kuin yhtenäinen |
| Ylävyöhykkeen putken tiheys | Univormu | 20-30 % pienempi kuin yhtenäinen |
| Pylvään korkeus | Säiliön syvyys | Säiliön syvyys (täysi upotus) |
| Sarakkeiden lukumäärä | Ei käytössä (ruudukkokuvio) | 3-8 (säiliön halkaisija riippuen) |
| Tukilevyn muotoilu | Tasainen reikäkuvio | Epäsymmetrinen; vastaa sarakkeen asettelua |
Lämmitysstrategian aloitus-
Tuotto{0}}rasitusnesteet muodostavat käynnistyshaasteen: koko säiliön sisältö voi olla myötörajan alapuolella, eikä kiertoa tapahdu lämmityksen alkaessa. PTFE-lämmönvaihtimen suunnittelu sisältää-aloituslämmitysstrategian. Höyrynpainetta rajoitetaan aluksi kohtuullisen putken seinämän lämpötilan tuottamiseksi, joka lämmittää nesteen paikallisesti aiheuttamatta lämpöhajoamista. Paikallinen kuumennus vähentää vähitellen myötörajaa putkia välittömästi ympäröivässä nesteessä.
Kun riittävä määrä nestettä putkien ympärillä on lämmitetty myötörajasiirtymän yläpuolelle, kierto alkaa. Kierto laajentaa lämmitettyä vyöhykettä asteittain, kunnes koko säiliön sisältö kiertää. Höyrynpaine voidaan sitten nostaa normaalille käyttötasolle. Prosessi on analoginen kiinteän -lokalisoidun sulamisen sulatukseen, jota seuraa sulan alueen asteittainen laajentaminen, kunnes konvektio on muodostunut.
PTFE:n etu tuotto{0}}stressinesteisiin
PTFE:n alhainen pintaenergia tarjoaa erityisen edun -stressinesteiden tuottamiseen. Nämä nesteet kiinnittyvät usein voimakkaasti metallipintoihin muodostaen pysähtyneen kerroksen, joka vastustaa kierron alkamista. Tarttumaton PTFE-pinta vähentää tarttuvuutta, jolloin lämmitetty neste voi irrota putken pinnasta ja nousta pienemmällä kelluvuusvoimalla kuin metallipinnalla vaadittaisiin. Verenkierto käynnistyy nopeammin ja pysähtynyt vyöhyke eliminoituu tehokkaammin.
Yhteenveto
Mukautettu PTFE-lämmönvaihtimen putkinipun geometria ei--newtonilaisille nesteille, joilla on myötöluja, käyttää pystysuoraa kolonnia tiukoilla sarakkeensisäisillä-pylväsvälillä myötörajan ylittävän leikkauksen aikaansaamiseksi ja leveitä -pylväiden välisiä rakoja paluuvirtaukselle. Suurempi putken tiheys nipun pohjassa voittaa viileämmän nesteen suuremman myötörajan. Hallittu-aloitusstrategia käynnistää kierron asteittain. PTFE:n alhainen pintaenergia auttaa nesteen irtoamisessa putken pinnoilta, mikä edistää konvektion aikaisempaa alkamista.
Teknistä tukea tuotto{0}}rasitusnesteen lämmönvaihtimen suunnittelulle on saatavilla, kun toimitetaan nesteen reologiatiedot (tuottojännitys vs. lämpötila, viskositeetti vs. leikkausnopeus), säiliön mitat, käyttölämpötila-alue ja lämmitysteho.
