CZ305208B6

CZ305208B6 - Způsob úpravy dutého vlákna pro výměníky tepla

Info

Publication number: CZ305208B6
Application number: CZ2013-904A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Raudenský; Mirko Dohnal; Ilya Astrouski
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-06-10
Also published as: CZ2013904A3

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

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

Dosavadní stav techniky

Polymemí dutá vlákna vyrobená např. z polypropylénu nebo polyetylénu jsou po extruzi velmi hladká, a 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 laminámím režimu probíhá přenos tepla především vedením. U turbulentního proudění je situace odlišná. Při turbulentním režimu dochází k přenosu tepla vedením jen ve viskózní podvrstvě, zatímco 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. viskózní podvrstva. Profily rychlosti a teploty v oblasti stěny značně ovlivňuje drsnost stěny.

Ve vláknovém výměníku jedno médium protéká uvnitř vláken a druhé tato vlákna obtéká, a to buď kolmo na ně, nebo paralelně, anebo v kombinaci obou směrů. Při průtoku uvnitř vlákna nebo při obtékání vnějšího povrchu se vytvářejí v obou médiích na vnitřním i vnějším povrchu vláken laminámí vrstvy, které snižují přestup tepla. Tento pokles přestupu teplaje významný vzhledem k malým teplotním diferencím mezi oběma médii, 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 laminámí vrstvy na vnitřním povrchu významnější než na vnějším. Laminámí vrstva na vnitřním průřezu vlákna může, zejména u viskózních kapalin, přestup tepla významně ovlivnit.

Velké tepelné výměníky z polymemích 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 dlouhého svazku vláken je žádoucí laminámí vrstvu pokud možno potlačit. Zmenšení tloušťky laminámí 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 - prekurzoru 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 pórozitou od 20 až 75 %.

- 1 CZ 305208 B6

Tvorba pórů sice zároveň zdrsňuje oba dva povrchy dutého vlákna. Avšak póry, které umožňují průtok média přes stěnu, jsou u výměníků tepla nežádoucí. Navíc vysoká objemová pórozita 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 polymemích membránových vláken spočívající v tom, že se svazek vláken zahřeje na teplotu 35 až 45 °C, 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 způsobuje zajistit adhezí konců vláken v matrici při zhotovení přírub svazků vláken pro tepelné výměníky, aniž by došlo k vytvoření nežádoucí pórozity vlákna.

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

Podstata vynálezu

Způsob úpravy dutého polymemího vlákna dloužením, spočívá v tom, že se svazek prekurzorů o délce L v prvním kroku dlouží za teploty 20 až 30 °C na délku L_b která o 1,5 až 2 násobek převyšuje délku L₂ dloužení za stejné teploty, přičemž tato 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 L] 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 L|, načež se nejdéle do 15 minut ochladí na teplotu 20 až 30 °C.

Ke stanovení délky Lj 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 prekurzoru s výhodou opatřit podélnými iýhami.

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 L] = 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, 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

Dloužení v prvním kroku na délku L! = 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 Lj, a to za teploty 98 °C.

-2CZ 305208 B6

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 média vyšší a vnitřní průměr dutého vlákna menší. Přestup tepla mezi médii 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 B 1480 vláken o průměru vláken 275/220 pm - zdrsněné C 600 vláken o průměru vláken 615/492 pm - nezdrsněné D 1480 vláken o průměru vláken 275/220 pm - nezdrsněné

Byly zjištěny následující parametry:

	Předávaný výkon (kW)	Součinitel přestupu tepla (W/m²K)
Svazek: A	17,40	1510
B	8,7	3250
C	16,05	1430
D	7,9	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 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 mikrofíltračních 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 použít pro výměnu tepla.

-3 CZ 305208 B6

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 síly nutné k přetržení. Objemová pórozita byla měřena vážením vlákna a měřením jeho objemu. Zdrsnění povrchu je natolik jemné, že je nelze testovat hmatem. Ukázalo se však, že stačí měřit transparentnost vlákna. Prekurzor upravený způsobem podle vynálezu, u nějž je dosahovaná objemová pórozita asi v rozmezí 6 až 12 %, je plně transparentní, zatím co membránové vlákno s pórozitou 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

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob úpravy dutého polymerního vlákna dloužením, vyznačující se tím, že se svazek prekurzorů o délce L v prvním kroku dlouží za teploty 20 až 30 °C na délku L_b která o 1,5 až 2 násobek převyšuje délku L₂ dloužení za stejné teploty, přičemž tato 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 Li, načež se nejdéle do 15 minut ochladí na teplotu 20 až 30 °C.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke stanovení délky L, 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. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že před prvním dloužením se povrch prekurzoru opatří podélnými rýhami.

Konec dokumentu