طراحی تجهیزات انتقال حرارت در دستگاه اختلاط ایستا برای چسب، درزگیر، رزین و پلیمرها

 بسپار/ ایرا پلیمردر میان صنایع مختلف، سیال­ های مورد استفاده در صنایع چسب و درزگیر پرچالش ­ترین سیالات در مرحله فرآوری به شمار می­روند. مشخصه­ های این سیال­ ها که موجب سخت شدن فرآوری آن­ها می­شود، عبارت هستند از:

• گرانروی بالا (معمولاً Pa.s 1 تا 2000 یا cP 1000 تا 2 میلیون)
• غیرنیوتنی بودن (گرانروی ثابت نیست و با نرخ برش تغییر می­کند)
• برخی از آن­ها باید در دمای نزدیک به نقطه سخت شدن فرآوری شوند که نزدیک به دمای تغییر فاز از مایع به جامد است (مانند چسب­های گرماذوب)
• تقریبا همه آن­ها دارای رسانایی حرارتی پایین هستند که این ویژگی سبب مقاومت آن­ها به گرم شدن یا خنک شدن می­گردد.
• به سبب گرانروی بالا، انتقال آن­ها از نقطه­ای به نقطه دیگر در کل مراحل فرآوری نیازمند پمپ فشار بالا می­باشد.
• برای ایجاد جریان­پذیری در این دسته از سیال­ها، غالباً باید در دمای بالاتر از دمای محیط فرآوری شوند.
• برخی از سیالات فرآوری شده، دارای کاربرد در صنایع غذایی هستند و موادی که در تماس با سیال هستند باید به تایید سازمان غذا و دارو برسند.
• تمیز کردن و نگهداری دستگاه به صورت ایمن امری مشکل است و موجب توقف فعالیت دستگاه می­شود.
• امکان تخریب بسیاری از سیالات فرآوری شده در اثر حرارت دیدن در طولانی مدت وجود دارد.  
• کنترل تاریخچه حرارتی محصول با جلوگیری از طولانی شدن زمان اقامت سیال (کاهش احتمال تخریب)، به محض آرام شدن جریان سیال بسیار مشکل می­گردد.
• خطوط فرآیند معمولاً برای سیالات و سرعت جریان­های مختلفی طراحی شده­است که موجب پیچیدگی بیشتر فرآیند می­شود.

گرم کردن و خنک کاری

گرم کردن و خنک­ کاری، فرآیندهای کلیدی در صنعت چسب و درزگیر هستند و چالش­ های برشمرده در فوق در آن­ها اجتناب­ ناپذیر است. بسیاری از محصولات باید در دماهای بالا فرآوری و یا تهیه شوند، سپس خنک می­شوند تا مراحل بعدی تسهیل شود.

برای موارد زیر، گرم کردن ممکن است ضروری باشد:

• برای کاهش گرانروی محصول جهت کم کردن افت انرژی در صفحات، فیلترها و دیگر قطعات.
• برای کاهش گرانروی جهت بهینه کردن عملکرد کمربند خنک­ساز و گرانول­سازی زیر آب.
• برای گرن کردن محتویات راکتور در حین پمپ کردن تا زمان گرم کردن و زمان کل فرآیند کم شود.

برای موارد زیر، خنک­کاری ممکن است ضروری باشد:

• جهت کاهش دمای محصول تا بسته ­بندی به خوبی صورت گیرد.
• جهت کاهش دما و افزایش گرانروی بعد از راکتور تا عملکرد کمربند خنک­ساز و گرانول­سازی زیر آب بهینه شود.
• برای کاهش دما پیش از عبور از عبور محصول از اکسترودر.

در صنایع چسب و درزگیر، روغن حرارتی رایج­ترین منبع گرمایی غیرمستقیم است. این روغن با گرم­کن­ های الکتریکی یا گازی گرم می­شوند.

از خنک­ کن­ های رایج می­توان به روغن حرارتی (با دمای تنظیم شده در نقطه­ای پایین­تر از دمای هدف محصول) و آب با دمای مشخص اشاره کرد. آب سرد به ندرت مورد استفاده قرار می­گیرد زیرا بسیاری محصولات این صنعت دارای دمای انجماد بالاتر از دمای آب لوله ­کشی یا دمای آب برج خنک­کن هستند. همچنین احتمال خطر تبخیر آب در اثر رسیدن به نقطه جوش نیز وجود دارد.

در عملیات خنک­کاری، روغن حرارتی با دمایی بیش از دمای ورود خود، از تجهیزات انتقال حرارت بازمی­گردد. در برخی نقاط خنک کردن روغن ضروری است، یک مبدل حرارتی صفحه­ای به مخزن تامین­کننده روغن داغ متصل می­گردد و از آب به­عنوان ماده خنک­کننده استفاده می­شود.  

تئوری

برای حل مشکلات گرم کردن و خنک­کاری، باید تئوری­ های مربوط به انتقال حرارت رسانشی و همرفت غیرمستقیم و چگونگی ارتباط آن با طراحی تجهیزات انتقال حرارت غیرمستقیم را به­طور کامل درک کرد.

معادله زیر، اولین معادله کلیدی است که تعیین­کننده میزان چالش گرم و خنک کردن می­باشد:

[EasyDNNGallery|10702|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

[EasyDNNGallery|10700|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

مرحله عملی

اکنون هدف اصلی بیشینه کردن پارامتر U در دستگاه انتقال حرارت و کمینه کردن مساحت سطح انتقال حرارت است. این امر موجب می­شود که ابعاد و هزینه مورد نیاز برای دستگاه انتقال حرارت به کمترین مقدار ممکن برسد. یکی از دستگاه­های رایج صنایع چسب، درزگیر، پلیمر و رزین به منظور گرم کردن و خنک­ کاری مبدل حرارتی کِنیکس است. این دستگاه یک مبدل حرارتی پوسته و لوله می­باشد که مشخصاً برای تامین نیاز صنایع چسب و درزگیر طراحی شده­است. هد ورودی و خروجی دستگاه را می­توان به نحوی طراحی کرد که فضای مرده را به حداقل رساند، همچنین بتوان با عایق حرارتی مناسب از سرد شدن و سخت شدن سیال فرآیندی به صورت نقطه­ای و محلی جلوگیری کرد.

در هر لوله تجهیزات اختلاط ایستای کِنیکس قرار دارد تا از رسیدن محصولات فرآوری شده به سطوح انتقال حرارت و اختلال در الگوی جریان معمول در لوله خالی جلوگیری کند. اختلاط سیال عبوری از هر لوله به صورت پیوسته و شعاعی موجب انتقال حرارت همرفت (در قیاس با یک لوله خالی) می شود و از گرادیان دمایی و متعاقباً سوختن/ یخ زدگی محصول جلوگیری می­نماید (شکل 1).

[EasyDNNGallery|10701|Width|500|Height|500|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]