Une usine chimique spécialisée devait chauffer une solution de polymère d'une viscosité d'environ 20 000 mPa·s à la température de fonctionnement. Le thermoplongeur en PTFE existant était tombé en panne au bout de quatre mois. La gaine présentait une bande molle et cloquée le long de la section inférieure chauffée, et la résistance d'isolation était tombée en dessous de 10 MΩ. Le chauffage avait été spécifié à 1,2 W/cm², ce qui était approprié pour l'eau mais beaucoup trop agressif pour la solution visqueuse de polymère.
Les fluides à haute viscosité présentent un défi fondamental en matière de transfert de chaleur. L'épaisse couche limite thermique à la surface du réchauffeur retient la chaleur et la température de la surface du réchauffeur s'élève bien au-dessus de la température globale du fluide. La densité de puissance sûre diminue proportionnellement à la viscosité. La configuration du réchauffeur doit être conçue pour fournir la surface requise à une faible densité de watts, et le débit à la surface du réchauffeur doit être maintenu pour réduire l'épaisseur de la couche limite.
Le problème du transfert de chaleur dans les fluides à haute viscosité
Dans un fluide dont la viscosité est 100 fois supérieure à celle de l'eau, le coefficient de transfert de chaleur par convection est de 10 à 20 % de la valeur de l'eau. La différence de température nécessaire pour transférer un flux thermique donné est d’autant plus élevée. Pour un appareil de chauffage fonctionnant à 1,0 W/cm² dans un fluide de viscosité 100 ×, l'écart de température entre la surface-et-la température globale peut être de 40 à 60 degrés.
La température de surface élevée accélère la dégradation du PTFE. Le polymère se ramollit, perd sa stabilité dimensionnelle et devient plus perméable. Le chauffage tombe en panne de l’extérieur vers l’intérieur.
| Viscosité du fluide | Par rapport à l'eau | Coefficient de convection | Surface ΔT à 1,0 W/cm² | Densité de puissance sûre |
|---|---|---|---|---|
| Eau | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 degrés | 1,5 à 2,0 W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 degrés | 1,0 à 1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40 à 60 degrés | 0,6 à 0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60 à 90 degrés | 0,4 à 0,6 W/cm² |
Transfert de chaleur et densité de puissance sûre pour les fluides à haute viscosité
La configuration multi--passes
Une configuration à plusieurs-passes répartit la surface de chauffage sur une zone plus grande, réduisant ainsi la densité en watts par unité de surface. Les passages sont disposés pour maximiser la surface dans le volume disponible du récipient et pour permettre l'écoulement entre eux.
Pour une puissance de 6 kW à 0,7 W/cm², la surface requise est de 8 571 cm². Un chauffage multi-passes avec un diamètre de gaine de 50 mm et huit passes de 700 mm chacune fournit environ 8 796 cm²-suffisamment pour cette tâche. Les passes sont espacées de 40 à 50 mm pour permettre la circulation entre elles.
| Puissance | Densité de puissance sûre | Surface requise | Passe à 50 mm de gaine | Longueur du passage | Espacement des passes |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 0,7 W/cm² | 4 286 cm² | 4 | 700 millimètres | 40 millimètres |
| 4 kW | 0,7 W/cm² | 5 714 cm² | 5 | 700 millimètres | 40 millimètres |
| 5 kW | 0,7 W/cm² | 7 143 cm² | 7 | 700 millimètres | 45 mm |
| 6 kW | 0,7 W/cm² | 8 571 cm² | 8 | 700 millimètres | 45 mm |
| 8 kW | 0,7 W/cm² | 11 429 cm² | 10 | 700 millimètres | 50 millimètres |
Configurations multi-passes pour les solutions polymères à haute viscosité
Augmentation du débit pour les fluides visqueux
Une configuration multi-passes seule n'est pas suffisante dans un fluide visqueux. Le flux à la surface du réchauffeur doit être maintenu pour réduire l’épaisseur de la couche limite. Un éjecteur dédié ou une petite pompe de recirculation peut diriger le flux à travers les passages.
Une vitesse locale de 0,3 à 0,5 m/s est suffisante pour réduire l'épaisseur de la couche limite et abaisser la température de surface de 15 à 25 degrés. Le débit n'a pas besoin d'être fort-il doit être dirigé vers la surface du radiateur.
| Méthode d'augmentation du débit | Vitesse locale | Réduction du ΔT de surface | Mise en œuvre |
|---|---|---|---|
| Éducteur au radiateur | 0.3–0.5 m/s | 15-25 degrés | Petite pompe ou air comprimé |
| Boucle de recirculation | 0.4–0.6 m/s | 20 à 30 degrés | Pompe et tuyauterie |
| Agitation mécanique | 0.2–0.4 m/s | 10 à 20 degrés | Agitateur ou agitateur |
| Tuyau de barbotage | 0.1–0.2 m/s | 8 à 15 degrés | Air comprimé |
Méthodes d'augmentation de débit pour les fluides visqueux
Considérations sur la géométrie du réacteur
Un réacteur chimique a souvent une géométrie différente de celle d’un réservoir de placage. Le réacteur peut être cylindrique avec un dessus et un fond en forme de dôme, avec un arbre agitateur central et des chicanes. L'espace disponible pour un chauffage est limité à la région annulaire entre l'agitateur et la paroi de la cuve.
Une configuration incurvée à plusieurs-passes qui suit la paroi du vaisseau maximise la surface dans l'espace annulaire. Les passages sont disposés en anneau autour de l'agitateur, avec des canaux d'écoulement entre eux.
Lorsqu'un appareil de chauffage standard ne peut pas être utilisé
Si le réacteur ne peut pas accueillir la surface requise pour une faible densité en watts, les options consistent à réduire la puissance, à accepter une durée de vie plus courte ou à utiliser une méthode de chauffage alternative. Un échangeur de chaleur externe peut être plus adapté au service visqueux car il peut fournir plus de surface dans un volume plus petit.
Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE avec plusieurs passages, une faible densité en watts et une augmentation du débit est conçue pour les solutions polymères à haute viscosité. Le processus de spécification nécessite la viscosité du fluide à la température de fonctionnement, les dimensions du récipient, le type et la vitesse de l'agitateur, la puissance requise et l'exigence d'uniformité de la température.
