Millä virtausjärjestelmällä (laminaari, siirtymä, turbulentti) tulee titaanilämmittimen seinämän paksuudesta hallitseva lämmönvirtauksen vastustuskyky?

Prosessinsinöörien, jotka kehittävät titaanista uppolämmitintä korkeaviskositeettisia nesteitä tai matalavirtaussovelluksia varten, on tiedettävä, mikä virtausjärjestelmä tekee seinämän paksuudesta säätelevän lämpövastuksen optimointia varten. Kokonaislämpövastus lämmönvirtaukselle (R_total) koostuu kolmesta vastuksesta. Näitä ovat konvektiivinen vastus nesteestä vaipan pintaan (R_conv), johtava vastus titaaniseinän läpi (R_cond=t/k_ti) ja sisäinen vastus lämmityselementistä ja eristyksestä (R_int). Pyörteisessä virtauksessa (Re > 10 000) R_conv on erittäin alhainen (0,0001-0,0005 m²·K/W), kun taas R_cond (0,0002 m²·K/W 1,5 mm:n seinälle) tulee huomattavaksi - yleensä 30-50 % kokonaisresistanssista. Laminaarivirtaukselle (Re < 2 000) R_conv on merkittävä (0,002-0,01 m²·K/W tai suurempi), mutta R_cond on vain 2-10 % kokonaisresistanssista. Seinämän paksuudesta tulee päävastus siirtyessä turbulentista laminaariseen virtaukseen. Tämä tapahtuu, kun R_conv < R_cond ja tapahtuu virtausnopeuksilla, jotka ovat noin 0,3-1,0 m/s vesimaisilla nesteillä, mutta huomattavasti suuremmilla viskoosien nesteiden kohdalla.

Virtaustilan ja lämpövastuksen välinen kytkentä
Konvektiivinen lämmönsiirtokerroin h on verrannollinen arvoon Re^n, missä n on noin 0,8 turbulenttiselle virtaukselle ja 0,33 laminaarivirtaukselle. R_konv=1/h . Titaanilämmittimelle, jonka seinämä on 1,5 mm R_cond=0.0015 / 7.5=0.0002 m²·K/W. R_konv. on yhtä kuin R_kond, kun h=5,000 W/m²·K. Tavallisia korrelaatioita käyttäen tämä h-arvo vastaa arvoa Re=5,000-10 ​​000 - turbulenttisen virtauksen alapäätä vesimaisille nesteille. Tämän alapuolella R_{conv} > R_{cond} ja konvektio hallitsevat. Reynoldsin luvulle tämän yläpuolella R cond > R conv ja seinämän paksuudesta tulee päävastus .

Nestetyypin viskositeetti (cP) Virtausnopeus R_conv=R_cond (m/s) Tyypillinen nopeus (1 m/s) Vastaava Re Dominanttivastus
Vesi (20 astetta) 1.0 0.3 – 0.5 7,500 – 12 500 Seinämän paksuus (1 m/s, turbulenttinen)
Vesi 80 astetta 0.35 0.2-0.3 5,000-7500 Seinien paksuus
Kevyt öljy (30 cP) 30 1.5–2.5 500–800 (laminaarinen) Konvektio (nopeudella 1 m/s, laminaarinen)
Keskimääräinen öljy (100 cP) 100 3.0-5.0 300-500 (laminaarinen) Konvektio (laminaari, 1 m/s)
Glyseriini (50 astetta) 50 2.0-3.0 400-600 (laminaarinen) Konvektio
Polymeerisula (1 000 cP) 1,000 8-12 80-120 (laminaari) Konvektio (seinämän paksuus merkityksetön)
Kaasu (ilma, 1 atm) 0,018 < 0,1 > 10 000 Seinämän paksuus (kaasupuoli on yleensä hallitseva)
Virtausjärjestelmän vastuksen jakautumisen kvantifiointi
Virtausjärjestelmän uudelleen vaihteluväli Tyypillinen h (W/m2K) Rconv (m2.K/W) Rcond (1,5 mm Ti) Seinämän paksuus (% R_koko hegemonisesta resistanssista
Laminaari (pieni nopeus) < 1,000 100-500 0.002-0.010 0.0002 2-10% Konvektio
Laminaari (keskinopeus) 1000-2,000 500-1,000 0.002-0.001 0.0002 10-20% konvektio
Siirtymä 2000-5000 1000-2500 0.001-0.0004 0.0002 20-40 % sekoitettu
Turbulentti (matala) 5 000-10,000 2, 500-5,000 .0004-.0002 .0002 40-50 % Seinään sekoitettuna
Turbulentti (korkea) > 10,000 5,000-20,000 0.0002-0.00005 0.0002 50-80% seinämän paksuus
Suunnitteluopas lämmittimille, joka perustuu virtausjärjestelmään
Virtaus- ja käyttöolosuhteet Hallitseva vastus Reynoldsin numero Suunnittelumenetelmä Seinän paksuuden vaikutus
Lämminvesivaraaja, 2 m/s putken virtaus 50 000 (pyörteinen) seinämän paksuus (50-70 % )Korkea Minimoi t (käytä 1,2-1,5 mm). Ei etua kiillotuksessa.
Sekoitettu vesisäiliö, korkea sekoitusaste 10 000-50 000 Seinämän paksuus Korkea Käytä ohuempaa seinää Suuren halkaisijan putket vähentävät T-vaikutusta.
Öljylämmitin, 0,5 m/s, 30 cP 500 (laminaari) Konvektio (90-95 %) Vähäinen Seinän paksuus ei ole tärkeä. Lisää virtausnopeutta tai pinta-alaa.
Polymer melt heater, low flow < 100 (laminar flow)Convection (>95%) Vähäinen Seinänpaksuus voidaan lisätä pienellä seurauksella. Paksu seinä vahvuutta varten.
Kaasulämmitin (ilma, 10 m/s) > 10 000 (pyörteinen)Seinämän paksuus Korkea (vaikka kaasu-puoli h alhainen yleensä) Kaasulämmitys rajoittaa kaasu-puolen konvektio, seinästä riippumatta.
Lämmönsiirtoneste (5 cP), 1 m/s 5 000-10 000 (siirtymä/pyörteinen) Mixed Medium Standard 1,5 mm seinä hyväksyttävä. Harkitse pienentämistä 1,2 mm:iin tehokkuuden parantamiseksi.
Tekniset vaikutukset seinän paksuuden valinnassa
For a turbulent flow regime (Re > 10,000) with a low Rconv, decreasing wall thickness will immediately improve heat transfer. Reducing t from 1.5 mm to 1.0 mm reduces Rcond by 0.000067 m2 .K/W, increasing U by 10-20% when Rconv is 0.0002-0.0004 m2 .K/W. For laminar flow (Re < 2,000) and R_conv >>R_wall, seinämän paksuudella ei ole vaikutusta kokonaislämmönsiirtoon. 2,5 mm paksu titaanilämmitin toimii melkein yhtä hyvin kuin 1,0 mm:n lämmitin laminaariöljy- tai polymeerisulatesovelluksissa. Käytännön seuraus on, että korkean viskositeetin nesteiden tapauksessa lämmittimen seinämän paksuus tulisi valita mekaanisen lujuuden ja korroosionvaravaatimusten mukaan verrattuna lämpötehokkuuteen.

Johtopäätökset: Turbulent Flow (Re > 5 000-10 000) seinämän paksuussäännöt
Kun virtaus on turbulentti (Re > 5 000-10 000) ja R_conv on pienempi kuin R_cond, titaanilämmittimen seinämän paksuus on tärkein lämmönvirtauksen vastus. Veden kaltaisille nesteille (viskositeetti ~ 1 cP tämä tapahtuu, kun virtausnopeudet ovat yli 0,3-0,5 m/s. Tässä ympäristössä seinämän paksuuden alentaminen 1,5 mm:stä 1,0 mm:iin lisää kokonaislämmönsiirtokerrointa 10-20 %. Käytettäessä laminaarivirtausta (Re < 2 000) mekaaninen seinämän paksuus ei ole konvektio hallitseva tekijä. lujuus ilman lämpökustannuksia Titaanilämmittimen osalta toimittaja tarvitsee nesteen viskositeetin, odotetun virtausnopeuden ja putken halkaisijan laskeakseen Reynoldsin luvun ja määrittääkseen, parantaako seinämän paksuuden pienentäminen lämpötehokkuutta vai tarvitaanko muita suunnittelumuutoksia (virtauksen tai pinta-alan lisääminen).