Два флуида који теку истом брзином унутар ПТФЕ цеви могу показати потпуно различито понашање преноса топлоте. Вода лако размењује топлоту са зидом цеви, док густо термално уље изгледа отпорно на промене температуре упркос идентичним условима протока. Разлика је углавном описана једном бездимензионалном количином познатом као Прандтлов број.
У термотехници,Прандтл број ПТФЕ измењивач термички гранични слојоднос помаже да се објасни како вискозитет и дифузија топлоте међусобно делују у близини загрејане или охлађене површине. Овај концепт постаје посебно важан у ПТФЕ измењивачима топлоте, где се хемијски агресивни или високо вискозни флуиди често обрађују под строго контролисаним термичким условима.
Разумевање Прандтл броја
Однос дифузије момента и дифузије топлоте
Прандтлов број упоређује колико лако флуид преноси замах у односу на то колико лако преноси топлоту. Једноставним речима, описује да ли се вискозни или термални ефекти брже шире кроз течност.
Параметар је дефинисан као:
Пр=дифузност моментатермална дифузивностПр=\\фрац{\\тект{дифузност момента}}{\\тект{термална дифузивност}}П=термална дифузивност момента дифузивност
Термичке и вискозне личности течности су спојене у овај један број, што га чини једном од најважнијих бездимензионалних група у анализи конвективног преноса топлоте.
Типични распони Прандтл бројева
Различите течности показују драматично различите Прандтлове бројеве у зависности од њихових физичких својстава.
Уобичајене приближне вредности укључују:
Ваздух: око 0,7
Вода: обично 2-7 у зависности од температуре
Лака уља: 50–200
Тешка уља: неколико стотина
Глицерол: више од 1000
Течни метали као што је жива: далеко испод 1
Ове велике разлике снажно утичу на развој термичког граничног слоја унутар измењивача топлоте.
Гранични слојеви унутар ПТФЕ измењивача
Формирање граничног слоја брзине
Како течност тече кроз ПТФЕ цев или канал, течност која директно додирује зид успорава се због вискозног трења. Ово ствара гранични слој брзине где се брзина течности постепено мења од нуле на зиду до пуне брзине на даљини.
Дебљина овог слоја зависи од:
Вискозитет течности
Брзина протока
Геометрија површине
Реинолдсов број
У течностима високог{0}}вискозитета, импулс релативно ефикасно дифундује ка споља, узрокујући да се гранични слој брзине протеже даље у ток.
Формирање топлотног граничног слоја
У исто време, термички гранични слој се развија како се топлота креће између зида и флуида који тече.
Унутар овог региона, температура флуида прелази са температуре зида на температуру течности.
Релативна дебљина термичког граничног слоја у поређењу са граничним слојем брзине у великој мери зависи од Прандтловог броја.
Како се понашају течности са високим Прандтловим бројем
Танки топлотни слојеви у вискозним флуидима
За течности са-Прандтл-већим бројем као што су уља или глицерол, топлота се дифундује много спорије од момента.
као резултат:
Гранични слој брзине постаје релативно дебео
Термички гранични слој остаје релативно танак
То значи да се промене температуре дешавају у веома уском подручју близу зида.
Резултат је стрмији температурни градијент директно на површини преноса топлоте.
Побољшање локалног преноса топлоте
Стрмији градијент температуре зида мало повећава локални коефицијент конвективног преноса топлоте.
Овај ефекат може изгледати контраинтуитивно јер се уља често сматрају лошим течностима за пренос топлоте у целини. Међутим, са становишта граничног{1}}слоја, тањи термални слој може локално да побољша понашање у преносу топлоте зида у поређењу са течностима са веома малим-Прандтл-бројем.
На пример, течни метали као што је жива имају изузетно ниске Прандтлове бројеве. У тим течностима, топлота брзо дифундује кроз поље струјања, стварајући много дебљи термички гранични слој у односу на слој брзине.
Градијент температуре локалног зида стога постаје мање стрм.
Зашто уља уопште и даље слабо преносе топлоту
Топлотна проводљивост остаје доминантно ограничење
Иако течности великог{0}}Прандтл-броја развијају тање термичке граничне слојеве, укупне перформансе преноса топлоте су и даље у великој мери ограничене ниском топлотном проводљивошћу течности.
Већина уља проводи топлоту лоше у поређењу са водом.
Стога, иако локално конвективно понашање донекле има користи од танког топлотног слоја, сам флуид се и даље опире транспорту топлоте кроз расуту течност.
У пракси, ПТФЕ измењивачи који рукују вискозним течностима често захтевају:
Веће површине преноса топлоте
Дуже време боравка
Веће брзине струјања
Повећана промоција турбуленције
Већи отисак измењивача
Благотворни ефекат Прандтловог броја побољшава понашање локалне конвекције, али не превазилази у потпуности инхерентна термичка ограничења вискозних течности.
Прандтлов број ПТФЕ измењивача Импликације на дизајн топлотног граничног слоја
ПТФЕ измењивачи обично раде са високим{0}}Прандтл течностима
ПТФЕ измењивачи топлоте се често бирају за корозивне или хемијски агресивне примене које укључују:
Киселине
Растварачи
Концентроване хемикалије
Термална уља
Полимерни раствори
Течности за фармацеутске процесе
Многе од ових течности поседују повишене вискозности и одговарајуће високе Прандтлове бројеве.
Разумевање интеракције између вискозног тока и топлотне дифузије постаје од суштинског значаја за прецизно димензионисање измењивача и термичко предвиђање.
Корелације преноса топлоте укључују Прандтлове ефекте
Већина дизајнерских једначина индустријског измењивача топлоте експлицитно укључује Прандтлов број да би се објаснило понашање термичког граничног слоја.
Типичне корелације Нуселтовог броја садрже Прандтлове експоненте у близини:
Ну∝Пр0.3 (хлађење)Ну \\пропто Пр^{0.3}\\ \\тект{(хлађење)}Ну∝Пр0.3 (хлађење)
и
Ну∝Пр0.4 (грејање)Ну \\пропто Пр^{0.4}\\ \\тект{(грејање)}Ну∝Пр0.4 (грејање)
Ови експоненти квантификују како се мењају перформансе преноса топлоте како се карактеристике топлотне дифузије флуида разликују.
Чак и скромне промене у Прандтл броју могу значајно утицати на предвиђене коефицијенте преноса топлоте.
Зашто је температура важна
Прандтл број се мења са температуром
Једна важна компликација је да Прандтлов број није константан.
Посебно за уља, вискозитет се брзо мења са температуром. Пошто вискозитет снажно утиче на дифузију момента, Прандтлов број може драматично да варира у опсегу радне температуре.
Како температура уља расте:
Вискозитет се смањује
Промене дифузије момента
Прандтлов број често значајно опада
Прецизан дизајн ПТФЕ измењивача стога захтева да се својства течности процењују на реалним радним температурама, а не да се ослањају на податке о собној{0}}температури.
Локални услови могу да варирају дуж измењивача
Унутар дугих ПТФЕ измењивача, својства течности могу континуирано да се развијају како грејање или хлађење напредују.
то значи:
Дебљина термичког граничног слоја се мења дуж путање струјања
Локални коефицијенти преноса топлоте варирају
Карактеристике пада притиска се померају истовремено
Напредни термални модели често узимају у обзир ове променљиве особине постепено по целој дужини измењивача.
ПТФЕ површинске карактеристике и понашање граничног слоја
Глатке површине флуорополимера
ПТФЕ површине су природно глатке и не-не лепљиве, што утиче и на хидродинамички и на развој термичког граничног слоја.
Глатки зид смањује накупљање прљавштине и подржава релативно стабилно понашање протока. Међутим, може такође смањити стварање турбуленције у поређењу са грубљим металним површинама.
За течности са вискозним -Прандтл- великим бројем, технике за унапређење турбуленције се понекад намерно уводе да би се додатно истањио термички гранични слој и побољшала ефикасност измењивача.
Ове методе могу укључивати:
Валовита цев
Спирални уметци
Дисруптори тока
Више{0}}конфигурације пролаза
Закључак
Прандтлов број је једно од скривених физичких својстава које открива како вискозитет течности и карактеристике топлотне дифузије међусобно делују у близини површине за пренос топлоте. У ПТФЕ измењивачима који рукују вискозним течностима, високи Прандтлови бројеви производе релативно танке термичке граничне слојеве у поређењу са граничним слојевима брзине, стварајући стрмије градијенте температуре зида и умерено побољшано понашање локалног конвективног преноса топлоте.
У исто време, инхерентно ниска топлотна проводљивост многих уља и даље ограничава укупне перформансе измењивача, захтевајући пажљиво димензионисање и прецизно термичко моделирање. Пошто се Прандтлов број значајно мења са температуром, посебно у вискозним флуидима, он остаје критичан инпут у поузданим прорачунима дизајна измењивача топлоте.
Сваки процесни флуид на крају носи сопствену термалну идентификациону картицу, а Прандтлов број је један од најоткривенијих уноса одштампаних на њему.
