چرا مبدل های حرارتی PTFE برای افزایش انتقال حرارت به جریان آشفته متکی هستند؟

منابع معمولی تحریک در سیستم های گرمایش واقعی، دماهای نابرابر یا واکنش تاخیری فرآیند هستند. به عنوان مثال، یک راکتور شیمیایی با مبدل حرارتی پوشش داده شده PTFE{1} ممکن است برای رسیدن به دمای کار بیش از حد انتظار طول بکشد، یا یک سیستم گرمایش کف{2}بالا ممکن است گرمای ناسازگاری را در اطراف اتاق ارائه دهد. این مشکلات معمولاً به رسانایی حرارتی ضعیف PTFE مربوط می شود. این ماده از نظر شیمیایی مقاوم و از نظر حرارتی پایدار است، اما رسانایی حرارتی ضعیفی برای انتقال گرما توسط رسانش دارد. برای مقابله با این موضوع، مبدل‌های حرارتی PTFE معمولاً از جریان آشفته برای افزایش انتقال حرارت و کارایی استفاده می‌کنند.

پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) به دلیل بی اثری شیمیایی، کاهش اصطکاک و پایداری حرارتی تا حدود 200 درجه قدردانی می شود. انرژی سطح پایین به جلوگیری از رسوب و پوسته پوسته شدن، مشکلات معمول در مبدل های حرارتی فلزی کمک می کند. اما هدایت حرارتی PTFE تقریباً 0.25 W/m·K است که بسیار کمتر از فلزاتی مانند مس یا فولاد ضد زنگ است. بخاری های برقی معمولی متکی به عناصر فلزی هستند که گرما را به راحتی به هوا یا مایعات اطراف منتقل می کنند. سیستم های گرمایش از کف برقی از طریق رسانایی از طریق تشک هایی که در بتن یا چوب تعبیه شده اند، کار می کنند. دیگ های دیواری عمدتاً با گردش همرفتی از طریق رادیاتورهای پر از آب کار می کنند. در مبدل‌های PTFE، جایی که هدایت به تنهایی کافی نیست، استفاده از جریان آشفته به عنوان یک تکنیک طراحی معمولاً بسیار مهم است.


جریان متلاطم لایه مرزی را که به طور طبیعی در امتداد یک سطح انتقال حرارت تشکیل شده است، می شکند. در عمل به خوبی شناخته شده است که جریان آرام تمایل به تشکیل یک لایه نازک ثابت از سیال در نزدیکی سطح PTFE دارد که انتقال حرارت را کند می کند. سیال به طور مداوم با ایجاد تلاطم به هم زده می شود. این از طبقه بندی دما جلوگیری می کند و گرادیان حرارتی موثر در تماس را افزایش می دهد. در واقع وجود تلاطم متوسط ​​می تواند سرعت انتقال انرژی از دیواره PTFE به سیال کار را به میزان زیادی افزایش دهد و رسانایی کم پلیمر را جبران کند.

استراتژی‌های طراحی معمولاً تغییرات سطحی را با جریان آشفته مخلوط می‌کنند تا کارایی را به حداکثر برسانند. کانال های راه راه، سطوح پره دار یا بافل های مارپیچ باعث ایجاد تلاطم موضعی می شوند و تضمین می کنند که سیال کار تمام سطح PTFE را جارو می کند و به آرامی در جریان های موازی جریان نمی یابد. بخاری های برقی معمولی دارای عناصر فلزی هستند که رسانای خوبی برای گرما هستند و به ندرت به تلاطم نیاز است. سیستم های گرمایش کف الکتریکی از جرم حرارتی دال برای صاف کردن دما در طول زمان بدون نیاز به حرکت آشفته آن استفاده می کنند. دیگ‌های دیواری{4}}همچنین برای توزیع گرما به گردش همرفتی متکی هستند و اگر رادیاتورها به درستی قرار نگیرند یا سرعت جریان مناسب نباشد، می‌تواند منجر به گرمایش ناهموار شود. مبدل های حرارتی PTFE از تلاطم استفاده می کنند، هدایت برای نیازهای فرآیند بسیار کند است.

انتقال حرارت در شرایط آشفته را می توان با تأثیر گذار فاز افزایش داد. سیال های کاری که تا حدی تبخیر یا متراکم می شوند، گرمای نهان را جمع آوری یا آزاد می کنند و لایه ای از انتقال انرژی را فراتر از رسانایی ساده ایجاد می کنند. تجربه نشان می‌دهد که ترکیبی از آشفتگی و فرآیندهای تغییر فاز کنترل‌شده-به مبدل‌های PTFE نمایه دمایی یکنواخت‌تری می‌دهد، حتی در برنامه‌های-بار بالا. مجموعه ای از ویژگی ها مبدل های حرارتی PTFE را برای عملیات های شیمیایی یا صنعتی که نیاز به کنترل حرارتی دقیق دارند بسیار مفید می کند.

مسائل عملیاتی همچنان در اولویت هستند. حفظ سیال کار در محدوده دما و فشار تعیین شده باعث می شود تلاطم بدون فرسایش یا حفره موثر باشد. عایق مبدل از اتلاف انرژی به هوای محیط جلوگیری می کند و تضمین می کند که حالت غالب انتقال حرارت هدایت تنظیم شده با کمک اختلاط آشفته است. در واقع، تماس ضعیف سطحی، ضخامت ناهموار دیوار، یا نرخ جریان ناکافی ممکن است کارایی تلاطم را مختل کند، که به ضرورت طراحی و نصب دقیق سیستم اشاره دارد.

مشکلات اغلب زمانی رخ می دهد که طراحان تصور می کنند مبدل های حرارتی PTFE مانند مبدل های حرارتی فلزی عمل می کنند. تلاش برای دریافت واکنش سریع با جریان آرام یا مقایسه مستقیم سیستم با دیگ بخار دیواری یا سیستم گرمایش از کف برقی می تواند منجر به گرمایش ناهموار یا عملکرد ناکارآمد شود. درک اثر اغتشاش و محدودیت های حرارتی PTFE، به مهندسان اجازه می دهد تا کانال های جریان، هندسه سطح و انتخاب سیال را برای ارائه انتقال حرارت قابل پیش بینی و کارآمد طراحی کنند.

در نهایت، رسانایی حرارتی پایین PTFE به تنهایی مسیر هدایت انتقال حرارت را محدود می کند، به این معنی که جریان آشفته یک عامل کلیدی در کاربردهای واقعی است. صفحات پره دار یا بافل ها تلاطم را افزایش می دهند و از توسعه لایه مرزی جلوگیری می کنند. این شیب های حرارتی را افزایش می دهد و پیشرفت های تغییر فاز را تکمیل می کند. بخاری‌های برقی معمولی، سیستم‌های گرمایش از کف و دیگ‌های دیواری-به مکانیسم‌های متنوع-رسانایی فلز، رسانش جرم دال یا گردش همرفتی متکی هستند. این الزامات طراحی خاص مبدل های PTFE را توضیح می دهد. در واقع، طراحی طرح حرفه‌ای با در نظر گرفتن نوع مسکن، چیدمان و بار، تضمین می‌کند که مبدل‌های حرارتی PTFE گرمایشی همگن، قابل اعتماد و موثر را برای کاربردهای صنعتی و مسکونی به طور یکسان ارائه می‌کنند، در عین حال مقاومت شیمیایی و دوام طولانی مدت را حفظ می‌کنند.