CZ2013904A3 - Způsob úpravy dutého vlákna pro výměníky tepla - Google Patents

Abstract

Při úpravě dutého polymerního vlákna dloužením jeho prekurzoru se svazek vláken o délce L v prvním kroku dlouží za teploty 20 až 30 .degree.C na délku L.sub.1.n., která o 1,5 až 2 násobek převyšuje délku L.sub.2.n. dloužení za stejné teploty. Délka L.sub.2.n. má po odlehčení tažné síly za následek trvalé prodloužení původní délky L o 5 až 8 %. Ve druhém kroku se svazek vláken bez uvolnění tahu zahřeje na teplotu v rozmezí 40 až 45 .degree.C a za této teploty se dlouží o 9 až 30 % délky L.sub.1.n.. Ve třetím kroku se teplota zvýší na 95 až 110 .degree.C, při níž se svazek vláken dlouží bez uvolnění tahu o 30 až 55 % délky L.sub.1.n., načež se nejdéle do 15 minut ochladí na teplotu 20 až 30 .degree.C.

Description

Způsob úpravy dutého vlákna pro výměníky tepla

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu úpravy dutého polymerního vlákna dloužením jeho prekurzorů ke zvýšení přestupu tepla ve výměnících tepla na bázi dutých vláken, zejména protékaných medii s vyšší viskozitou.

Dosavadní stav techniky

Polymerní dutá vlákna vyrobená např. z polypropylénu nebo polyetylénu jsou !

po extruzi velmi hladka^ to jak na vnitřní_?tak na vnějším povrchu. Tato vlákna se používají jako teplosměnné plochy v teplotních intervalech, které jsou limitovány fyzikálně mechanickými vlastnostmi použitých polymerů.

Při laminárním režimu probíhá přenos tepla především vedením. U turbulentního proudění je situace odlišná. Při turbulentním režimu dochází k přenosu ta tóne o tepla vedením jen ve viskózni podvrstvě,/kdežto uvnitř turbulentního jádra proudu přenos probíhá pomocí intenzivního míchání částic kapaliny. V tenké vrstvě u povrchu stěny se v důsledku tření proudění zpomaluje a rychlost kapaliny klesá na nulu, tvoří se tzv. viskózni podvrstva. Profily rychlosti a teploty v oblasti stěny značně ovlivňuje drsnost stěny.

Ve vláknovém výměníku jedno medium protéká uvnitř vláken a druhé tato vlákna obtékána to buď kolmo na ně, nebo paralelně, anebo v kombinaci obou směrů. Při průtoku uvnitř vlákna nebo při obtékaní vnějšího povrchu se vytvářejí v obou mediích na vnitřním i vnějším povrchu vláken laminární vrstvy, které snižují přestup tepla. Tento pokles přestupu tepla je významný vzhledem k malým teplotním diferencím mezi oběma medii, zejména slouží-li výměník k využití zdrojů tepla o nízké teplotě. Malá teplotní diference mezi oběma médii může být diktována i fyzikálně chemickými vlastnostmi použitých polymerů.

Protože vnitřní poloměr dutého vlákna může být velmi malý, např. i méně než 0.25 mm, je vliv laminární vrstvy na vnitřním povrchu významnější než na vnějším. Laminární vrstva na vnitřním průřezu vlákna může, zejména u viskózních kapalin, přestup tepla významně ovlivnit.

Velké tepelné výměníky z polymerních vláken jsou tvořeny svazky vláken i s více než 50 000 kapilárami. Jejich délka je limitována tlakovou ztrátou, ale může při větším vnitřním průměru dutých vláken dosahovat až 4 000 mm. Zejména u takto ? ♦ ϊ ’ # » $> · ΐ » ‘· »3>

i S » *3 ' ^J f 3 »· ' · · ’ * 1 > » » » ·» « «

- 2 dlouhého svazku vláken je žádoucí laminární vrstvu pokud možno potlačit. Zmenšení tloušťky laminární vrstvy se dosahuje zdrsněním vnitřního i vnějšího povrchu kapilár, a to několika způsoby. Používá se např. leptání povrchu kyselinou. To si však vyžaduje likvidaci použité kyseliny se všemi náklady na bezpečnost a ekologii. Navíc je u tohoto způsobu obtížné regulovat velikost zdrsnění.

Zdrsnění je možné dosáhnout také tím, že po extruzi, v okamžiku kdy je povrch vlákna - prekursoru ještě dostatečně teplý, tak se do jeho dráhy umístí element, který vytváří do jeho povrchu rýhy. Nevýhoda tohoto postupu spočívá v tom, že zdrsnění je orientováno výhradně ve směru osy dutého vlákna a rozteče rýh jsou řádově srovnatelné s vnějším průměrem dutého vlákna nebo jsou jen o jeden řád menší.

------Způsob zveřejněný v spisu PV 2002-184 spočívá v temperování prekurzoru při teplotě o 40 K nižší než je teplota tání polymeru po dobu alespoň 20 minut. Takto připravené vlákno se dlouží za normální teploty o 7 až 50 % rychlostí nejméně 20 % za minutu. Následuje dloužení za normální či zvýšené teploty v komoře. Vzniklý porézní produkt se stabilizuje teplotní fixací. Tímto způsobem se mohou zhotovit polopropustné membrány s objemovou porositou od 20 až 75 %. Tvorba pórů sice zároveň zdrsňuje oba dva povrchy dutého vlákna. Avšak póry, které umožňují průtok media přes stěnu, jsou u výměnků tepla nežádoucí. Navíc vysoká objemová porosita vede k zvýšenému teplenému odporu stěny vlákna a k poklesu mechanických , vlastností vlákna, např. pevnosti v tahu.

/

Ze spisu PV 2012-772 je znám způsob zdrsnění mikroporézních dutých polymerních membránových vláken spočívající v tom, že se svazek vláken zahřeje '.i// _t 'z&bi na teplotu 35 až 45ťC, za této teploty se vlákna dlouží o 15 až 30 % původní délky a ; - následně po zvýšení teploty na 95 až 110°C se vlákna dále dlouží o 45 až 90 % původní délky a poté se nechají po dobu nejméně 30 minut vychladnout na okolní teplotu. Cílem tohoto způsobu je zajistit adhezi konců vláken v matrici při zhotovení přírub svazků vláken pro tepelné výměníky, aniž by došlo k vytvoření nežádoucí porozity vlákna.

Vynález si klade za úkol navrhnout nenáročnou technologii zajišťující zvýšení povrchové drsnosti obou povrchů dutých polymerních vláken ke zlepšení přestupu tepla při současném udržení integrity vlákna a jeho mechanických vlastností.

Podstata vynálezu

Způsob úpravy dutého polymerního vlákna dloužením, spočívá v tom, že se svazek prekurzorů o délce L v prvním kroku dlouží za teploty 20 až 30°C na délku Li, •jfXč&rn z' έο která o 1,5 až 2 násobek převyšuje délku L₂ dloužení za stejné teploty, kteréžte/délka l_2 má po odlehčení tažné síly za následek trvalé prodloužení původní délky L o 5 až 8 %, načež ve druhém kroku se svazek bez uvolnění tahu zahřeje na teplotu v rozmezí 40 až 45°C a za této teploty se dlouží o 9 až 30 % délky Li a ve třetím kroku se teplota zvýší na 95 až 110°C, při níž se svazek dlouží bez uvolnění tahu o 30 až 55 % délky Li, načež se nejdéle do 15 minut ochladí na teplotu 20 až 30°C.

Ke stanovení délky Li je možno dloužit vzorek prekurzoru po krocích se střídavým dloužením a uvolňováním, přičemž v každém kroku postupně délka Li narůstá, dokud nedojde k trvalému prodloužení původní délky L vzorku v intervalu 5 až 8 %.

Před prvním dloužením se může povrch prekursoru s výhodou opatřit podélnými rýhami.

Příklady uskutečnění vynálezu

V laboratorních podmínkách byly způsobem podle vynálezu upraveny dva svazky polyamidových prekurzorů A a B z různých šarží, o různém počtu vláken a různých průměrech. Výchozí délka svazků L u obou vzorků byla shodně 1 m. První krok proběhl u obou svazků za shodné teploty 25°C a druhý za 42°C. Konečné ochlazení na 25°C trvalo shodně 5 min.

Svazek A - Vnější/vnitřní průměr: 615/492 pm, počet vláken 600

Dloužení v prvním kroku na délku Li = na délku 1,8 m odpovídalo 1,7 násobku délky, která by měla za následek reziduální prodloužení původní délky o 6 %. Ve druhém kroku byl svazek dloužen o 20 % délky l_i a ve třetím kroku o dalších 40 % délky Li, a to za teploty 100°C.

Svazek B - Vnější/vnitřní průměr: 275/220 pm, počet vláken 1480

- 4 Dloužení v prvním kroku na délku Li = na délku 1,9 m odpovídalo 1,8 násobku délky, která by měla za následek reziduální prodloužení původní délky o 7 %. Ve druhém kroku byl svazek dloužen o 25 % délky Li a ve třetím kroku o dalších 35 % délky Li, a to za teploty 98°C.

Odlišné podmínky při aplikaci způsobu podle vynálezu u obou případů vyplynuly z drobných odlišností ve struktuře materiálu obou svazků. Je zřejmé, že výsledný poměr dloužení se zásadně liší od dloužícího poměru používaného při výrobě filtračních membrán.

Zdrsnění povrchu prokázalo pozitivní vliv na přestup tepla, a to tím výraznější, čím je viskozita alespoň jednoho media vyšší a vnitřní průměr dutého vlákna menší. Přestup tepla mezi medii byl testován pro vodu na obou stranách teplosměnné plochy, což je běžný případ. Na přestup tepla byly testovány dva svazky vláken upravených podle vynálezu, oba dlouhé 750 mm a dva svazky nezdrsněné o stejné délce. Rychlost vody uvnitř vláken, která je pro přestup tepla rozhodující, byla zvolena 1 m/s, teplota vody uvnitř vláken byla 55°C, vně vláken 18°C, rozdíl teplot tedy činil 37 K, rychlost vody proudící kolmo na vlákna byla 0.15 m/s.

Svazek: A

600 vláken o průměru vláken 615/492 pm - zdrsněné

1480 vláken a průměru vláken 275/220 pm - zdrsněné

600 vláken o průměru vláken 615/492 pm - nezdrsněné

1480 vláken a průměru vláken 275/220 pm - nezdrsněné

Byly zjištěny následující parametry:

Předávaný výkon (kW) Součinitel přestupu tepla (W/ m²K)

17,40 1510

8,7

16,05

7,9

Svazek: A

B

3250

1430

2980

Pro svazky A a B se zdrsněnými povrchy byl zjištěn přestup tepla o 6 až 10 % vyšší než u svazků C a D. S ohledem na to, že přestup probíhal na nízké energetické í t ♦ » »

V * 4 « · i • ♦ · » · ·

- 5 hladině, je výsledek ekonomicky zajímavý, přitom náklady na zdrsňování vláken jsou malé.

Dále byly zjišťovány mechanické vlastnosti vláken dloužených popsaným způsobem.

Test integrity byl proveden pro vnější průměry s tolerancí asi 5 %, jaké se používají pro výrobu mikrofiltračních membrán:

Vnější/vnitřní průměr [pm] Síla nutná k přetržení [N]

275/220 3.1

615/492 18

S ohledem na hydrofobicitu polypropylenu byl test integrity proveden v IPA, a to při vnitřním tlaku 6 bar vzduchu. Ze svazku čítajícího 1480 dutých vláken o průměru 275 pm neprošlo testem integrity jediné vlákno. To znamená, že jen u jednoho vlákna byly identifikovány nepřijatelné póry. Větší průměry nebyly testovány, protože zkušenost ukazuje, že to není nutné.

Měřením vnitřního a vnějšího tlaku bylo zjištěno, že u dutých vláken všech průměrů se dosahují minimálně těchto hodnot:

Kolapsový tlak 2.8 Bar

Maximální přetlak 5.2 Bar

Výsledky testu ukazují, že zdrsnění nepoškodilo mechanické vlastnosti kapilár a že je možné tyto kapiláry použit pro výměnu tepla.

Při kontrole kvality dutého vlákna upraveného podle vynálezu se za uvedených tlaků vycházelo z toho, že existuje silná korelace mezi prasknutím vlákna od vnitřního přetlaku a kolapsovým tlakem od vnějšího přetlaku jako funkce sily nutné k přetržení. Objemová porosita byla měřena vážením vlákna a měřením jeho objemu. Zdrsnění povrchu je natolik jemné, zeje nelze testovat hmatem. Ukázalo se však, že stačí měřit transparentnost vlákna. Prekurzor upravený způsobem podle vynálezu, u nějž se dosahovaná objemová porosita asi v rozmezí 6 až 12 %, je plně transparentní, zatím co membránové vlákno s porositou asi 50 % je bílé a absolutně neprůhledné.

Měřením na mikroskopu bylo zjištěno, že zárodky pórů, které představují žádoucí zdrsnění, mají na vnějším povrchu kapiláry tvar štěrbiny o délce asi 0,3 až 0,6 mikronu a šířce asi 0,05 až 0,1 mikronu. Na vnitřním povrchu jsou štěrbiny asi poloviční.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob úpravy dutého polymemího vlákna dloužením, vyznačující se tím, že se svazek prekurzorů o délce L v prvním kroku dlouží za teploty 20 až 30°C na délku _y Li, která o 1,5 až 2 násobek převyšuje délku L₂ dloužení za stejné teploty, .kterážto/ délka L₂ má po odlehčení tažné síly za následek trvalé prodloužení původní délky

   L o 5 až 8 %, načež ve druhém kroku se svazek bez uvolnění tahu zahřeje na teplotu v rozmezí 40 až 45°C a za této teploty se dlouží o 9 až 30 % délky Li a ve třetím kroku se teplota zvýší na 95 až 110°C, při níž se svazek dlouží bez uvolnění tahu o 30 až 55 % délky U, načež se nejdéle do 15 minut ochladí na teplotu 20 až 30°C.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke stanovení délky Li se dlouží vzorek prekurzoru po krocích se střídavým dloužením a uvolňováním, přičemž v každém kroku postupně délka Li narůstá, dokud nedojde k trvalému prodloužení původní délky L vzorku v intervalu 5 až 8 %.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že před prvním dloužením se povrch prekurzoru opatří podélnými rýhami.