La pénalité de viscosité
Les manuels sur le transfert de chaleur fournissent des estimations de la valeur U-pour les fluides tels que l'eau-à des vitesses modérées. Ces estimations échouent lorsqu'elles sont appliquées à des -solutions de polymères à haute viscosité-alcool polyvinylique, carboxyméthylcellulose ou émulsions de latex concentrées-où les viscosités varient de 100 à 10 000 centipoises.
Dans ces fluides, le nombre de Reynolds est faible. Le flux est laminaire. La couche limite thermique est épaisse. La convection naturelle est supprimée. Le coefficient de transfert de chaleur global d'un échangeur de chaleur en PTFE peut chuter à 50-100 W/m²·K-un-tiers à un cinquième des 280 W/m²·K réalisables avec de l'eau.
L'application d'un facteur de déclassement à la valeur U-basée sur l'eau est l'approche de conception standard. Mais un seul facteur de déclassement est insuffisant car la viscosité dépend de la température-. Le fluide proche de la surface chaude du PTFE a une viscosité inférieure à celle du fluide en vrac. Cela crée un effet de transfert de chaleur auto-amélioré qu'un simple facteur de déclassement constant ne capture pas.
Les commentaires sur la température-viscosité
Les solutions polymères présentent une forte dépendance à la température-viscosité. Une solution avec une viscosité de 1 000 cP à 25 degrés peut avoir une viscosité de seulement 200 cP à 60 degrés -, soit une réduction de cinq fois. Lorsque ce fluide entre en contact avec une paroi de tube en PTFE à 80 -100 degrés, le fluide dans la couche limite chauffe à une température comprise entre la paroi et la température globale. Sa viscosité diminue considérablement. La viscosité réduite améliore le transfert de chaleur par rapport à ce que prédirait un calcul utilisant la viscosité à température ambiante.
Ce retour de température-viscosité compense partiellement la pénalité du flux laminaire. Un échangeur de chaleur en PTFE qui semblerait très sous-dimensionné d'après les calculs de viscosité globale peut fonctionner correctement car le fluide de la couche limite chauffé est beaucoup moins visqueux que prévu.
Le facteur de déclassement correct tient compte de cet effet. Il ne s'agit pas d'un multiplicateur fixe mais d'une fonction de la relation viscosité-température de la solution de polymère spécifique.
Tableau 1 : Facteurs de déclassement de la valeur U-pour les échangeurs de chaleur en PTFE dans les fluides à haute-viscosité
| Viscosité du fluide en vrac à la température de fonctionnement (cP) | Température-Sensibilité à la viscosité | Valeur U- recommandée (W/m²·K) | Facteur de déclassement par rapport à l'eau (280 W/m²·K) | Remarques |
|---|---|---|---|---|
| 1-10 (ressemble à l'eau) | Faible | 250-280 | 0.9-1.0 | Pénalité de viscosité négligeable |
| 10-50 | Modéré | 180-240 | 0.65-0.85 | Légers effets laminaires |
| 50-200 | Modéré-Élevé | 120-180 | 0.43-0.65 | Flux laminaire dominant |
| 200-500 | Haut | 80-130 | 0.29-0.46 | Fort retour de température-viscosité |
| 500-2,000 | Haut | 60-100 | 0.21-0.36 | Commentaires importants ; agitation très bénéfique |
| 2,000-10,000 | Très élevé | 40-70 | 0.14-0.25 | Agitation mécanique indispensable ; convection naturelle négligeable |
U-values assume moderate mechanical agitation (impeller Reynolds >100). Pour les fluides calmes, réduisez les valeurs U-de 30 à 50 %.
Le multiplicateur d'agitation
Dans les fluides à haute viscosité-, la convection naturelle est faible ou absente. Le transfert de chaleur repose entièrement sur la convection forcée provenant de l'agitation mécanique. Sans agitation, la couche de fluide chauffée autour des tubes PTFE stagne. Le transfert de chaleur chute à des taux de conduction -limités.
Les valeurs U-du tableau supposent une agitation mécanique adéquate. Pour les réservoirs sans agitation mécanique, les valeurs U- doivent être réduites de 30 à 50 % supplémentaires. La conception de l'échangeur thermique en PTFE doit inclure les spécifications d'agitation comme partie intégrante du dimensionnement thermique.
Pour les fluides dont la viscosité est supérieure à 2 000 cP, l'agitation mécanique n'est pas facultative-c'est une condition nécessaire pour atteindre des taux de transfert de chaleur utiles. La puissance de l'agitateur et la conception de la turbine doivent être spécifiées en même temps que la surface de l'échangeur thermique.
Dimensionnement de la marge d'incertitude
Les données de viscosité des solutions de polymères sont souvent mesurées à quelques températures discrètes et extrapolées. L'extrapolation introduit une incertitude dans le calcul de la valeur U-. Une marge de dimensionnement prudente de 15 à 25 % de surface supplémentaire est recommandée pour les applications où la qualité des données de viscosité est incertaine.
Un test de transfert de chaleur à l'échelle pilote avec le fluide de traitement réel, si possible, fournit les données de valeur U-les plus fiables. Le test utilise une petite bobine en PTFE immergée dans un échantillon du fluide de procédé, avec un apport thermique et une réponse en température mesurés. La valeur U-qui en résulte est adaptée à l'échangeur de taille réelle-sans incertitude de déclassement.
Résumé
Les échangeurs de chaleur en PTFE fonctionnant dans des solutions polymères à haute-viscosité nécessitent des facteurs de déclassement de valeur U-de 0,14 à 0,85 par rapport aux valeurs de conception à base d'eau-, en fonction de la viscosité globale et de la sensibilité à la température. L'effet de rétroaction température-viscosité dans la couche limite chauffée compense partiellement la pénalité d'écoulement laminaire.
L'agitation mécanique est essentielle pour un transfert de chaleur utile dans les fluides supérieurs à 500 cP. Les marges de dimensionnement de 15-25 % tiennent compte de l'incertitude des données de viscosité. Pour les applications critiques, les tests de transfert de chaleur à l’échelle pilote éliminent l’incertitude liée au déclassement.
L'analyse technique du dimensionnement des échangeurs de chaleur en PTFE dans des applications spécifiques à haute -viscosité est disponible sur soumission des données de viscosité du fluide-température, de la plage de température de fonctionnement, de la méthode et de l'intensité d'agitation, ainsi que du besoin thermique requis.
