Изазов загревања ламинарног тока у преради полимера
Топлине полимера-високог вискозитета као што су полиуретанске, силиконске и епоксидне смоле (15.000 цП на 80 степени) теку у ламинарним режимима (Ре < 100) кроз загрејане ПФА цеви у системима за дозирање, реакцијском бризгању и апликаторима лепка. У ламинарном току, Нуселтов број (бездимензионални коефицијент преноса топлоте) остаје низак и константан за равне цеви, стварајући радијалне температурне градијенте који изазивају вруће тачке и неуједначено очвршћавање. Геометрија спиралне цеви индукује центрифугалне силе које стварају секундарне токове, прогресивно повећавајући Нуселтов број дуж путање протока. Квантитативна анализа из 24 система за обраду полимера показује да спиралне ПФА цеви постижу Нуселтове бројеве 3 до 5 пута веће од равних цеви при еквивалентним брзинама протока, смањујући максималну радијалну температурну разлику са 15 степени на 4 степена за растоп од 15.000 цП.
Прогресија Нуселтовог броја у равним у односу на спиралне цеви
За потпуно развијен ламинарни ток у правој цеви са константном температуром зида, Нуселтов број се приближава асимптотичној вредности од 3,66 без обзира на дужину цеви. То значи да се коефицијент преноса топлоте стабилизује на ниској вредности, стварајући параболични температурни профил где средишња течност остаје много хладнија од зида. За равну ПФА цев пречника 12 мм са топљењем од 15.000 цП која тече при 50 мЛ/мин (Ре=35), Нуселтов број достиже 3,7 након 500 мм загрејане дужине, дајући коефицијент преноса топлоте од 60 В/м²·К. Радијална температурна разлика на излазу цеви је 18 степени (зид на 120 степени, центар на 102 степена). Спиралне цеви са односом закривљености (пречник цеви/пречник завојнице) од 0,1 генеришу Деан бројеве изнад 50, производећи секундарне вртлоге који мешају течност радијално. Нуселтов број се повећава дуж путање протока, достижући 16 након 10 окретаја, дајући коефицијент преноса топлоте од 260 В/м²·К и радијалну температурну разлику од 4 степена.
Деан број и ефекти закривљености
Динов број (Де=Ре × (пречник цеви/пречник калема)^0,5) квантификује интензитет секундарног струјања у спиралним цевима. За растопљене полимера са Ре од 35, равна цев даје Де=0. Завојна цев са пречником намотаја од 120 мм (пречник цеви/пречник завојнице=0.1) даје Де=35 × 0.316=11, стварајући слаб секундарни проток и Нуселтов број од 8. Затезање намотаја даје {{} ратио 1 × 1} пречник {{}} 1 × 1} 0.447=16, дајући Нуселтов број од 12. Максимални практични однос закривљености за ПФА цеви је 0,25 (пречник намотаја од 48 мм за цев од 12 мм) због ограничења савијања полимера. На овој граници, Де=35 × 0.5=18, Нуселтов број достиже 14 до 16. За топљења већег вискозитета (30.000 цП, Ре=18), максимални Де=18 × 0.5=9, дајући Нуселтов број од 9 до 10, и даље 2,5× већи од праве цеви.
Казна за пад притиска за спиралну геометрију
Секундарни токови који побољшавају пренос топлоте у спиралним цевима такође повећавају пад притиска. За равну ПФА епрувету дужине 1000 мм са топљењем од 15 000 цП при 50 мЛ/мин, пад притиска је 0,8 бара. Завојна цев исте развијене дужине од 1000 мм и пречника намотаја од 60 мм (10 завоја) показује пад притиска од 2,4 бара, што представља повећање од 200%. Однос пада притиска се скалира са Деановим бројем на квадрат. За Де=18, фактор трења је 3,2× већи од праве цеви. За сваку примену мора се проценити-однос између побољшања преноса топлоте и снаге пумпе. За системе за дозирање где је капацитет пумпања ограничен, равна цев са мањим падом притиска може бити пожељна, прихватајући не-уједначеност виших температура. За реакционо бризгање где уједначеност температуре одређује коначне особине делова, спирална цев са већим падом притиска је оправдана.
Поређење термичких перформанси према геометрији
| ПФА геометрија цеви и вискозитет топљења | Деан Нумбер | Нуселтов број на 1000 мм | Коефицијент преноса топлоте (В/м²·К) | Радијална температурна разлика (степен) | Пад притиска (бар/м) |
|---|---|---|---|---|---|
| Право, 15.000 цП, 50 мЛ/мин | 0 | 3.7 | 60 | 18 | 0.8 |
| Хеликални, калем од 120 мм, 15.000 цП | 11 | 8 | 130 | 10 | 1.5 |
| Хеликални, калем од 80 мм, 15.000 цП | 14 | 12 | 195 | 6 | 2.0 |
| Хеликални, 60 мм калем, 15.000 цП | 16 | 15 | 245 | 4 | 2.4 |
| Хеликални, калем од 60 мм, 30.000 цП | 9 | 9 | 145 | 12 | 3.2 |
Дужина улаза и развојни ток
Побољшање преноса топлоте у спиралним цевима захтева неколико окрета да би се секундарни ток у потпуности развио. За спиралну цев са Де=16, дужина термалног улаза је приближно 300 мм (5 обртаја за калем од 60 мм). Пре ове дужине, Нуселтов број је већи од потпуно развијене вредности, али коефицијент преноса топлоте зависи од локације-. За кратке зоне грејања (< 500mm), the straight tube may actually perform better than a helical tube with insufficient turns to develop secondary flow. When specifying helical PFA heaters for polymer melts, ensure the heated length contains at least 8 turns of the helical geometry to achieve stable enhanced Nusselt numbers. For applications where total length is constrained, consider multi-start helices (2 or 3 parallel helical channels in a single tube) which develop secondary flow in 2-3 turns due to channel interactions.
ПФА дебљина зида и способност закривљености
Способност формирања спиралних ПФА цеви без извијања или стањивања зида зависи од дебљине зида у односу на пречник цеви. За цев спољашњег пречника 12 мм, дебљина зида од 1,5 мм може се савити до пречника намотаја од 60 мм без деформације. Иста цев са дебљином зида од 2,5 мм захтева минимални пречник намотаја од 100 мм да би се избегло стањивање спољашњег зида (смањење дебљине изазвано напоном-). За апликације које захтевају чврсту спиралну кривину за Деан бројеве изнад 15, наведите максималну дебљину зида од 1,8 мм. Дебљи зидови форсирају веће пречнике калемова (мањи однос закривљености), смањујући Деан број и повезано побољшање преноса топлоте. У раду са високим{13}}вискозитетним топљењем где хемијска отпорност захтева 2,5 мм ПФА зидова, оптимални пречник намотаја је 100 мм (однос закривљености 0,12, Де=12 за 15.000 цП при 50 мЛ/мин), што даје Нуселтов број од 9 и радијалну температурну разлику од 12 степени.
Смернице за спецификације за грејаче растопљеног полимера
За загревање растопљеног полимера-високог вискозитета које захтева уједначеност радијалне температуре, наведите спиралне ПФА цеви са односом закривљености (пречник цеви/пречник калема) од најмање 0,15, што одговара Диновом броју изнад 12 за очекивани Рејнолдсов број. Израчунајте Рејнолдсов број из вискозитета растопа на радној температури и брзине протока. Циљни Нуселтов број од најмање 10 за загрејану дужину, што обично захтева 8 до 10 спиралних окрета. За растопине са вискозитетом изнад 30.000 цП, равне цеви или веома нежни спирали (однос закривљености < 0,08) обезбеђују недовољно мешање, па треба размотрити алтернативне методе загревања (статичке мешалице унутар цеви, спољна циркулација). Када тражите понуде, наведите вискозитет растопа на минималној и максималној радној температури, опсег протока и максималну дозвољену радијалну температурну разлику на излазу грејача. Добављачи са искуством у преради полимера могу да изврше рачунарску динамику флуида како би предвидели прогресију Нуселтовог броја и потврдили да спирална геометрија постиже потребну термичку униформност. За апликације за накнадну уградњу које замењују праве ПФА цеви спиралним цевима, проверите да ли постојећа пумпа може да испоручи већи пад притиска (обично 2× до 3×) без смањења протока. Ако капацитет пумпе није довољан, размислите о смањењу грејане дужине за 30% до 40% када прелазите на спиралну геометрију, пошто већи коефицијент преноса топлоте омогућава краће цеви за исти топлотни рад. Комбинација 20% краће спиралне цеви са топљењем од 15.000 цП смањује пад притиска на 1,9 бара уз одржавање радијалне температурне разлике испод 6 степени, у поређењу са 0,8 бара и 18 степени за оригиналну равну цев.
