چگونه جریان ضربانی انتقال حرارت را در مبدل های حرارتی PTFE بهبود می بخشد؟

در حالی که یک مبدل حرارتی معمولاً با سرعت جریان ثابت کار می کند، نشان داده شده است که اگر یک ضربان (یا ریتم شتاب و کاهش سرعت جریان) را اضافه کنید، می توانید انتقال حرارت را بدون افزایش توان کل بهبود بخشید. این رویکرد ضد-بصری مخصوصاً برای مبدل‌های PTFE که به دلیل رسانایی حرارتی پایین بدنام هستند، قابل توجه است. جریان ضربان دار به عنوان یک راه ممکن برای بهبود انتقال حرارت در چنین سیستم هایی شناسایی شده است. این یک راه حل بالقوه برای بهبود عملکرد حرارتی مبدل های حرارتی PTFE ارائه می دهد.

مبدل های حرارتی PTFE با مکانیزم جریان ضربانی
جریان ضربانی از ایجاد یک لایه مرزی حرارتی پایدار در لوله جلوگیری می کند، که عامل اصلی محدود کننده انتقال حرارت در سیستم های جریان ثابت معمولی است. ضربان‌ها با سرعت بخشیدن و کاهش سرعت جریان، مایع را بیشتر مخلوط می‌کنند. این اختلال در لایه مرزی تبادل گرمای مؤثرتری را بین سیال و دیواره‌های لوله PTFE فراهم می‌کند.

مشخص شد که جریان پالسی ضریب انتقال حرارت را با افزایش ناچیز میانگین سرعت جریان در آزمایش‌های آزمایشگاهی بهبود می‌بخشد. نوسان دوره ای توانایی سیال را برای انتقال گرما با ایجاد اختلال در سیال راکد در امتداد دیواره لوله، که معمولاً به عنوان یک مانع عایق عمل می کند، بهبود می بخشد. این اختلال برهمکنش دیواره سیال را افزایش می‌دهد و در نتیجه انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد، بدون نیاز به سرعت جریان بیشتر.

مکانیسم های جریان ضربانی
در طول فاز کاهش سرعت جریان ضربانی، گرداب ها به درون جریان ریخته می شوند و تلاطمی ایجاد می کنند که دیواره لوله را "آشوش" می کند. این گرداب ها برای شکستن لایه مرزی حرارتی به کار می روند تا سیال تماس بیشتری با سطح لوله برقرار کند و انتقال حرارت بهبود یابد.

هسته سیال که معمولاً داغتر است، در مرحله شتاب بیشتر به داخل لوله نفوذ می کند. تبادل حرارتی با تماس سیال تازه تر و گرمتر با بخشهای سردتر لوله بهبود می یابد. این حرکت ریتمیک منجر به اختلاط بهتر می شود که انتقال حرارت را بر روی سطح لوله PTFE افزایش می دهد.

تحقق عملی جریان ضربانی
این ضربان جریان را می توان به وسیله تعدادی از وسایل از جمله یک پمپ رفت و برگشتی، یک دریچه سریع عمل یا یک نوسانگر سیال ایجاد کرد. همه این رویکردها نوسانات دوره ای را در جریان معرفی می کنند که به القای اختلاط مناسب و ترویج انتقال گرما کمک می کند.

یک نگرانی مهم افزایش پیچیدگی و خطر ارتعاش سیستم های جریان پالسی است. مزایای انتقال حرارت واضح است، اما طراحی سیستم ضربان دار باید شامل تنش ها و ارتعاشات مکانیکی احتمالی باشد که می تواند به سیستم وارد شود، به ویژه در فرکانس های بالا یا در سیستم هایی با اجزای حساس.

اثر جریان ضربانی بر رژیم های جریان
تأثیر جریان پالسی در رژیم‌های جریان آرام و انتقالی قابل توجه است، جایی که تأثیر نسبی آن بر اختلاط بالاترین است. در این رژیم‌های جریان، جریان نسبت به جریان آشفته کاملاً توسعه‌یافته کمتر متلاطم است و از این رو مزایای ضربان‌ها در شکستن لایه مرزی مشهودتر است. برای اعداد رینولدز بالاتر، تلاطم در حال حاضر مقدار قابل توجهی از اختلاط را انجام می دهد و تأثیر جریان پالس بر انتقال حرارت کمتر قابل توجه است.

جریان ضربانی در بهبود انتقال حرارت در اعداد رینولدز پایین‌تر مفید است، اما صرفه‌جویی در انرژی خالص باید به دقت تحلیل شود. هزینه انرژی تولید ضربان‌ها، به‌ویژه جاهایی که مکانیسم‌های فعالی مانند پمپ‌های رفت و برگشتی یا دریچه‌های عمل سریع استفاده می‌شود، می‌تواند برخی از مزایای انتقال حرارت را خنثی کند. این مبادله{2}}باید در نظر گرفته شود که آیا جریان پالس یک استراتژی تقویت کننده قابل دوام برای یک برنامه خاص است.

خلاصه
جریان ضربانی یک تکنیک ابتکاری و طاقچه ای برای بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی PTFE است، به ویژه در سیستم هایی که با اعداد رینولدز پایین کار می کنند. ضربان‌ها می‌توانند ضریب انتقال حرارت را به طور قابل‌توجهی بدون میانگین سرعت بیشتر با ایجاد اختلال در لایه سد حرارتی و ترویج اختلاط سیال افزایش دهند. اما در به کارگیری این روش باید به دغدغه های عملی مانند امکان ارتعاش و انرژی لازم برای تولید ضربان توجه شود. مهندس حرارتی دارای جعبه ابزار غنی از جریان ضربانی و استراتژی های مختلف افزایش فعال و غیرفعال برای بهینه سازی عملکرد مبدل حرارتی PTFE است.