چگونه هسته شدن حباب های جوش بر روی سطح بخاری PTFE بر انتقال حرارت تأثیر می گذارد؟

هنگامی که یک بخاری غوطه‌وری PTFE بالاتر از دمای معینی گرم می‌شود، فقط مایع اطراف را بی‌صدا گرم نمی‌کند. در عوض، به منظره ای پویا از انفجارهای بخار کوچک تبدیل می شود. حباب های ریز روی سطح غلاف هسته می شوند، به سرعت رشد می کنند، جدا می شوند و از طریق مایع بالا می روند و مقادیر عظیمی از انرژی حرارتی را در این فرآیند از بین می برند. این تغییر از همرفت مایع معمولی به جوش هسته ای یکی از مهم ترین تغییرات در رفتار حرارتی بخاری است.

تعامل بین سطح صاف PTFE و تشکیل حباب بخار، کارایی انتقال حرارت به سیال اطراف را در تحقیق انتقال حرارت سطح بخاری PTFE جوشان هسته ای تعیین می کند.

چرا PTFE در جوشاندن رفتار متفاوتی دارد؟
ضربه یک سطح صاف-کم انرژی
PTFE به دلیل داشتن ویژگی‌های نچسب صاف-و انرژی سطحی بسیار پایین به خوبی شناخته شده است. همان ویژگی هایی که به PTFE مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر رسوب می دهد، بر نحوه شروع جوشش روی سطح آن نیز تأثیر می گذارد.

یک حباب بخار تنها زمانی می تواند منبسط شود که یک محل هسته زایی کوچک وجود داشته باشد که یک جیب کوچک بخار را تثبیت کند. خراش‌های کوچک، گودال‌ها و عیوب روی سطوح فلزی ناهموار به طور طبیعی به عنوان محل هسته‌سازی عمل می‌کنند.

PTFE متفاوت عمل می کند زیرا:

سطح صاف تر است.

انرژی سطح پایین است

مایعات چسبندگی ضعیف تری دارند

اولین مخالفت با ایجاد حباب پایدار

بنابراین، جوشیدن معمولاً برای شروع نیاز به سطح بالاتری از سوپرهیت دارد.

سوپرهیت چیست؟
سوپرهیت تفاوت بین دمای سطح بخاری و نقطه جوش مایع است. از آنجایی که PTFE در برابر هسته‌زایی حباب‌ها مقاومت می‌کند، قبل از اینکه حباب‌های بخار به درستی رشد کنند، سطح غلاف باید گرمتر از سطح فلزی معادل باشد.

این یک تاخیر کوچک در شروع جوش ایجاد می کند.

PTFE در ابتدا تا زمان جوشیدن نگه می دارد، اما زمانی که شروع می شود، با خشم کمی عجیب می جوشد.

انتقال از همرفت به جوش هسته ای
گرمایش از طریق همرفت طبیعی
انتقال حرارت قبل از شروع جوشش هسته تحت سلطه همرفت طبیعی است. در این رژیم:

مایع گرم به سمت غلاف بالا می رود

با مایع خنک کننده جایگزین می شود

انتقال حرارت هنوز نسبتاً متوسط ​​است

جریان مایع نسبتاً ملایم و محدود است.

شروع جوشاندن هسته ای
هنگامی که آستانه فوق گرما فراتر رفت، هسته شدن حباب می تواند به طور ناگهانی رخ دهد. مکان های هسته زایی فعال روی سطح غلاف PTFE شروع به تولید حباب های بخار می کنند.

در این مرحله:

افزایش سرعت تشکیل حباب

بهبود اختلاط مایعات

تلاطم سطح افزایش یافته است

افزایش سریع انتقال حرارت

این شروع جوشش هسته است که یکی از موثرترین حالت های انتقال حرارت ممکن در سیستم های گرمایش مایع است.

چرا جوشاندن هسته ای انتقال حرارت را افزایش می دهد؟
حرکت حباب به عنوان مکانیزم انتقال حرارت
در جوش هسته ای، حباب ها چندین نقش حرارتی حیاتی را به طور همزمان انجام می دهند.

با توسعه حباب ها و ترکیدن آنها:

گرمای نهان تبخیر گرما را جذب کرد

مایع جدید سردتر به سطح می آید

لایه های مرزی شکسته می شوند

آشفتگی محلی به شدت افزایش می یابد

این هم زدن شدید مایع ضریب انتقال حرارت را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

انرژی حرارتی را می توان از سطح بخاری به طور قابل توجهی موثرتر از جابجایی ساده با جوش هسته حذف کرد.

کوچک، سریع-حباب کردن (ادامه)
سطح صاف PTFE تولید حباب های کوچک زیادی را به جای چند حباب بزرگ متصل می کند. انرژی سطحی کم به حباب ها کمک می کند تا وقتی بزرگتر از اندازه آستانه هستند، به سرعت خارج شوند.

خروج سریع حباب دارای مزایای مختلفی است:

پتو شدن توسط بخارات کاهش می یابد

جایگزینی مایع تقویت شده

چرخه های هسته زایی قوی تر.

جاروب سطح بهبود یافته

مایع متحرک و حباب های بخار که از سطح خارج می شوند، به طور مداوم سطح غلاف را شستشو می دهند و در نتیجه راندمان تبادل حرارتی را افزایش می دهند.

اهمیت چگالی وات
رژیم جوشان قدرت تطبیق بخاری
چگالی وات باید به گونه ای عاقلانه انتخاب شود که بخاری غوطه وری PTFE در رژیم جوش هسته ای به طور ایمن عمل کند.

عناصر مهم عبارتند از:

خواص سیال

دمای جوش مایع

ویسکوزیته سیالات

سطح هم زدن تانک

سرعت جریان

ترازهای بخاری

اگر چگالی وات به اندازه کافی بالا نباشد، جوش ممکن است به طور کامل ایجاد نشود، که عملکرد حرارتی را محدود می کند. اگر چگالی وات خیلی زیاد باشد، فرآیند جوش ممکن است ناپایدار و خطرناک شود.

تحریک و حرکت مایع
هم زدن مکانیکی یا گردش اجباری که منجر به تأثیر زیادی بر رفتار جوشش هسته می شود:

حذف سریعتر حباب های بخار

پر کردن مجدد مایع بهبود یافته

افزایش شار حرارتی بحرانی

تثبیت انتقال حرارت

سیستم هایی که به خوبی هم زده می شوند اغلب می توانند چگالی وات بیشتری را نسبت به مایعات راکد حفظ کنند.

جوش فیلم و شار گرمای بحرانی
حد جوش بی خطر هسته ای
جوشاندن هسته ای تنها در محدودیت های عملیاتی ایمن بسیار مطلوب است. این حد بالاتر، شار حرارتی بحرانی (CHF) نامیده می شود.

در Fr. سپس:

تشکیل حباب ها بیش از حد متراکم می شود

پتوهای بخار شروع به توسعه می کنند

کاهش دسترسی مایع به غلاف

بالاتر از این حد، رژیم جوش از نظر کیفی متفاوت است.

انتقال جوش فیلم
در بالای شار حرارتی بحرانی، یک لایه بخار عایق پیوسته می تواند در اطراف سطح بخاری تشکیل شود. به این حالت جوش فیلم می گویند.

جوشاندن فیلم مشکل ساز است زیرا بخار در مقایسه با مایع، وسیله انتقال حرارت نسبتا ضعیفی است. سپس دمای سطح بخاری می تواند افزایش یابد.

عواقب آن می تواند باشد:

گرم شدن بیش از حد PTFE

آسیب غلاف

تخریب حرارتی

بخاری، کار نمی کند

عمر سرویس کوتاه تر

در نتیجه، در طراحی بخاری‌های PTFE، عملکرد ایمن زیر CHF بسیار مهم است.

چرا PTFE می تواند از جوشاندن کارآمد پشتیبانی کند؟
عملکرد ضد حرارتی
PTFE ممکن است بیشتر به دلیل عایق بودن و بی اثر بودن شیمیایی آن شناخته شود، اما رفتار سطحی آن در طول جوشش هسته می تواند در انتقال حرارت پس از شروع جوشش بسیار موثر باشد.

مخلوطی از:

تخلیه سریع حباب

هم زدن مایعات سنگین

هسته زایی مداوم 

استخراج گرمای نهان کارآمد

یک رابط حرارتی بسیار فعال ایجاد می کند.

برای بسیاری از کاربردهای گرمایش شیمیایی با جوش کنترل شده، به همین دلیل است که بخاری های غوطه وری PTFE که به درستی ساخته شده اند بسیار کارآمد هستند.

ملاحظات عملی در طراحی
اندازه بخاری
عملیات ایمن بستگی به تطبیق دقیق موارد زیر دارد:

بخاری تراکم وات

شیمی سیالات

دمای عملیات

طراحی تانک

الگوهای جریان

بخاری بیش از اندازه-خطر جوشیدن فیلم و گرمای بیش از حد موضعی را افزایش می‌دهد.

وضعیت سطوح
PTFE ذاتاً در برابر آلودگی مقاوم است. با این حال، رسوبات یا لجن بیش از حد-می تواند بر دینامیک حباب تأثیر بگذارد و کارایی انتقال حرارت را محدود کند.

بازرسی‌های منظم رفتار جوشیدن هسته‌ها را ثابت می‌کند.

پایداری کنترل سیستم
کنترل دقیق دما از چرخه حرارتی غیر ضروری جلوگیری می کند و از افزایش ناگهانی جریان گرما که می تواند رژیم جوش را به هم بزند، جلوگیری می کند.

خلاصه و نتیجه گیری
جوشیدن روی سطح بخاری PTFE یک اثر حرارتی دو طرفه-است. غلاف صاف و کم انرژی در ابتدا از تشکیل حباب جلوگیری می کند و قبل از شروع هسته سازی به گرمای فوق العاده بیشتری نیاز دارد. اما هنگامی که این مانع شکسته شد، جوش هسته ای بسیار قوی و به طرز شگفت انگیزی موثر است و جریان انرژی گرمایی را به مایع افزایش می دهد.

مشکل مهندسی کلیدی در انتقال حرارت جوش هسته ای از سطوح بخاری PTFE ایجاد تعادل بین جوش کنترل شده هسته و جوش مضر فیلم است. هنگامی که چگالی وات، هم زدن سیال و کنترل حرارت به درستی انتخاب شوند، فرآیند جوش به طور ایمن در رژیم هسته ای بسیار کارآمد باقی می ماند.

حرکت پیچیده حباب ها در سراسر غلاف PTFE در نهایت دیکته می کند که چگونه می توان قدرت حرارتی را به شدت تحت فشار قرار داد و در عین حال عملکرد ایمن و قابل اعتماد بخاری را حفظ کرد.