Vanduo ir plonos alyvos teka nuspėjamai; jų klampumas yra pastovus. Tačiau daugelis pramoninių skysčių-polimerų tirpalų, dumblų ir maisto pastų-yra ne-niutono. Jų storis kinta priklausomai nuo to, kaip stipriai jie maišomi. Kai šie skysčiai yra pumpuojami per PTFE šilumokaitį, standartinės konstrukcijos lygtys, kuriose numatomas fiksuotas klampumas, gali sukelti labai netikslius rezultatus. TinkamasPTFE šilumokaičio dydis ne Niutono skystispritaikymui reikia kitokio požiūrio{0}}, kuris atsižvelgia į tai, kaip skysčio tariamasis klampumas keičiasi atsižvelgiant į šlyties greitį vamzdeliuose.
Šlyties iššūkis-Retinimas
Dažniausias ne{0}}niutono skysčių tipas, sutinkamas šilumokaičio konstrukcijoje, yra šlyties-skiedimas (taip pat vadinamas pseudoplastiniu). Šlyties skiedimo skystis tampa mažiau klampus, kai yra kirptas. Skysčio elgesys yra tarsi užsispyręs gelis, kuris stumiamas tampa norimu skysčiu. Pavyzdžiai:
Polimero lydalai ir tirpalai
Ksantano derva ir kiti tirštikliai
Srutos ir dumblas
Kečupas, majonezas ir kitos maisto pastos
Spausdinimo dažai ir dangos
Šilumokaičio vamzdžio viduje didžiausias šlyties greitis atsiranda ties vamzdžio sienele, kur skysčio greitis sparčiausiai keičiasi nuo greitai{0}}judančios centrinės šerdies iki nejudančios sienelės. Dėl to skysčio sluoksnis, esantis šalia sienos, turi daug mažesnį klampumą nei skysčio centre. Tai turi dvi pagrindines pasekmes šilumos perdavimui ir slėgio kritimui:
Padidėja šilumos perdavimaspalyginti su Niutono skysčiu, kurio klampumas yra mažas -šlyties (poilsio) režimas, nes mažo-klampumo sienelės sluoksnis skatina geresnį terminį maišymąsi.
Slėgio kritimas yra mažesnisnei prognozuotų Niutono skaičiavimas, nes bendras pasipriešinimas srautui sumažėja dėl šlyties retinimo.
Tačiau šios naudos nėra lengva užfiksuoti paprastomis formulėmis. Skystis, kuris ramybės būsenoje yra labai klampus, vis tiek gali lengvai tekėti vamzdžiu, o projektuojant pagal nulinį -šlyties klampumą, šilumokaičio dydis būtų labai didelis.
Pagrindiniai šlyties{0}}skysčių aprašymo modeliai
Norint teisingai nustatyti šilumokaičio dydį, reikia apibūdinti skysčio reologiją. Dažniausiai naudojami du modeliai:
Galios įstatymo (Ostwald-de Waele) modelis:
τ = K· ⁿ
kur τ yra šlyties įtempis, šlyties greitis, K yra nuoseklumo indeksas ir n yra srauto elgsenos indeksas. Šlyties -skiedimo skysčiams n < 1. Kai n=1, skystis yra Niutono, kurio klampumas K.
Herschel-Bulkley modelis:
τ = τ₀ + K· ⁿ
Tai padidina takumo įtempį τ₀. Skystis netekės tol, kol taikomas šlyties įtempis neviršys šios išeigos vertės. Daugelis dumblų ir pastų pasižymi takumo įtempimu.
Šie modeliai naudojami efektyviam klampumui apskaičiuoti esant faktiniam šlyties greičiui, esančiam šilumokaičio vamzdyje. Efektyvus klampumas nėra pastovus; jis kinta priklausomai nuo srauto greičio ir vamzdžio skersmens.
Apibendrinto Reinoldso skaičiaus apskaičiavimas
Projektavimo iššūkis: kintama klampa per vamzdžio skerspjūvį{0}}
Sunkiausias aspektas nustatant PTFE šilumokaičio dydį ne-niutono skysčiams yra ne bendras srauto režimas-, o radialinis tariamo klampumo pokytis. Vamzdžio centre šlyties greitis yra mažas, todėl klampumas yra didelis (arti nulinės -šlyties vertės). Prie sienos šlyties greitis yra didelis, todėl klampumas mažas. Tai reiškia, kad greičio profilis yra neryškesnis (labiau panašus į kamštį) nei Niutono skysčio parabolinis profilis.
Ne{0}}vienodas klampumas turi įtakos impulsui ir šilumos perdavimui. Norint tiksliai nustatyti dydį, dažnai reikalinga skaičiavimo skysčio dinamika (CFD) arba specializuoti iteraciniai metodai. Tačiau inžineriniais tikslais rekomenduojamas toks metodas:
Gaukite reologinius duomenisskysčiui per numatomą šlyties greičių (10–1000 s⁻¹) ir temperatūrų diapazoną (įėjimo iki išleidimo angos).
Pritaikykite galios dėsnį arba Herschel-Bulkley modelįprie duomenų.
Įvertinkite vidutinį šlyties greitįvamzdyje, naudojant aproksimaciją: _avg=(8v/D) · (3n+1)/(4n). Tai galios{7}}skysčio sienos šlyties greitis.
Apskaičiuokite efektyvų klampumąesant tokiam šlyties greičiui ir tūrinei temperatūrai.
Naudokite apibendrintą Reinoldso skaičiųir atitinkama laminarinio šilumos perdavimo koreliacija.
Patikrinkite sienos temperatūrąužtikrinti, kad nebūtų viršyta PTFE medžiagos riba (paprastai 110–120 laipsnių panardinimui, aukštesnė apvalkalo -ir
Pilotinio testavimo vaidmuo
Labai ne{0}}niutono skysčiams arba procesams, kuriuose per didelio ar per mažo šilumokaičio kaina yra didelė, fizinis bandomasis bandymas su maža PTFE bandymo sekcija yra auksinis standartas. Nedidelį-apvalkalą-ir-vamzdelį arba net vieną vamzdelį-vamzdyje- galima sukurti šilumokaitį naudojant tą pačią PTFE vamzdelio medžiagą ir sienelės storį, kaip ir siūlomas viso- masto įrenginys.
Bandomasis bandymas turėtų matuoti:
Bendras šilumos perdavimo koeficientas (U) esant keliems srautams ir temperatūrų skirtumams
Slėgio kritimas bandymo sekcijoje
Įleidimo ir išleidimo skysčio temperatūra (tiek korpuso, tiek vamzdžio pusėse)
Skysčių reologija prieš ir po bandymo, siekiant patikrinti, ar nėra šlyties skilimo
Tada šie duomenys naudojami veiksmingajam Nusselto skaičiui ir tikrojo skysčio trinties koeficientui{0}}paskaičiuoti. Bandomojo bandymo masto padidinimas yra daug patikimesnis nei literatūros koreliacijų ekstrapoliavimas, ypač skysčiams, kurių takumo įtempis arba sudėtingas nuo temperatūros priklausomas elgesys.
Ypatingas dėmesys: skysčiai nuo streso
Jei skysčio takumo įtempis (τ₀ > 0), centrinis skysčio kamštis gali judėti kaip vientisa šerdis, apsupta nupjauto žiedo. Šilumos perdavimas kištuko srityje vyksta tik laidumo būdu, kuris yra labai neefektyvus. Tokiais atvejais PTFE šilumokaitis gali būti netinkamas, nebent srautas yra pakankamai didelis, kad įveiktų takumo įtampą visame vamzdžio skerspjūvyje. Kitu atveju vamzdelių viduje galima įdėti statinius maišytuvus arba spiralinius įdėklus, kad būtų skatinamas maišymas, tačiau juos sunku įgyvendinti naudojant PTFE, nes reikalingas cheminis inertiškumas ir medžiagos minkštumas.
Praktinė taisyklė: sienos šlyties įtempis (skaičiuojamas pagal slėgio kritimą) turi viršyti takumo įtempį bent du kartus, kad būtų užtikrinta, jog didžioji skysčio dalis būtų nukirpta. Jei tai neįmanoma, reikėtų apsvarstyti didesnį vamzdžio skersmenį arba kitokio tipo šilumokaitį (pvz., subraižytą{3}}paviršinį šilumokaitį).
Konservatyvios dydžio ribos
Kai nėra išsamių reologinių duomenų, taikant konservatyvų projektavimo metodą, kaip apatinė riba naudojama begalinė -šlyties klampa (klampumas esant labai dideliam šlyties greičiui), o nulinė -šlyties klampa (ramybės klampumas) kaip viršutinė riba. Tikrasis reikalingas šilumos perdavimo plotas bus tarp šių dviejų kraštutinumų. Šis metodas dažnai naudojamas preliminariam dydžiui nustatyti, o galutinis dizainas patvirtinamas bandomuoju bandymu.
Arba, naudojant Niutono koreliaciją su maža -šlyties klampa, apskaičiuotam plotui taikomas saugos koeficientas nuo 1,5 iki 2,0. Taip gaunamas per didelis, bet saugus keitiklis-, nors ir su didesnėmis kapitalo sąnaudomis.
Praktinis pavyzdys
Apsvarstykite 2 % ksantano dervos tirpalą (klasikinį šlyties skiedimo skystį), kurio savybės 30 laipsnių temperatūroje:
Tankis ρ=1010 kg/m³
Galios įstatymo parametrai: K=2.5 Pa·sⁿ, n=0.35
Debitas: 1,5 m³/val
Vidinis vamzdžio skersmuo: 12 mm
Vidutinis greitis: 1,5 / (3600 × π × 0,006²) ≈ 3,7 m/s
Vidutinis šlyties greitis: _vid.=(8 × 3,7 / 0,012) × (3 × 0.35+1) / (4 × 0,35) ≈ 2467 × (2,05 / 1,4) ≈ 3620 s⁻¹.
Apparent viscosity at this shear rate: μ_eff = K·γⁿ⁻¹ = 2.5 × (3620)^(0.35-1) = 2.5 × (3620)^(-0.65) ≈ 2.5 × 0.0075 ≈ 0.019 Pa·s. This is much lower than the resting viscosity (which might be >10 Pa·s). Metznerio-Reedo Reinoldso skaičius bus turbulentiniame arba pereinamajame diapazone, todėl šilumos perdavimas bus geras. Niutono konstrukcija, daranti prielaidą, kad klampumas ramybės būsenoje, numatytų laminarinį srautą ir reikalauja labai didelio šilumokaičio -daug pervertinto.
Išvada
PTFE keitiklio dydžio nustatymas ne{0}}niutono skysčiui yra specialisto užduotis, kuriai reikia suprasti unikalią skysčio asmenybę, dažnai patvirtinama bandomuoju bandymu. Šlyties -retėjimas sumažina tariamąjį klampumą šalia vamzdžio sienelės, padidindamas šilumos perdavimą ir sumažindamas slėgio kritimą, palyginti su Niutono prognozėmis, pagrįstomis mažu-šlyties klampumu. Labai svarbu tinkamai naudoti Metzner-Reed apibendrintą Reinoldso skaičių ir tinkamas šilumos perdavimo koreliacijas. Sunkiausiai modeliuojamus skysčius kartais lengviausia atvėsinti, jei suprantamos jų fizinės ypatybės. PTFE šilumokaičiams, kur cheminis inertiškumas dažnai yra pagrindinė pasirinkimo priežastis, papildomos pastangos, skirtos reologiniam apibūdinimui, atsiperka, nes yra tinkamo dydžio, ekonomiškas ir patikimas įrenginys.
