Kaip virimo burbuliukų susidarymas ant PTFE šildytuvo paviršiaus veikia šilumos perdavimą?

Kai PTFE panardinamasis šildytuvas įkaista virš tam tikros temperatūros, jis ne tik tyliai šildo aplinkinį skystį. Vietoj to jis tampa dinamišku mažų garų sprogimų kraštovaizdžiu. Mažyčiai burbuliukai formuojasi apvalkalo paviršiuje, greitai vystosi, atsiskiria ir pakyla per skystį, pašalindami didžiulius šiluminės energijos kiekius. Šis pakeitimas nuo įprastos skysčio konvekcijos prie virimo branduolių pavidalu yra vienas iš svarbiausių šildytuvo šiluminio elgesio pokyčių.

Sąveika tarp lygaus PTFE paviršiaus ir garų burbuliukų susidarymo lemia šilumos perdavimo į aplinkinį skystį efektyvumą tiriant branduolinio virimo PTFE šildytuvo paviršiaus šilumos perdavimą.

Kodėl PTFE virdamas elgiasi skirtingai
Plokščio, mažai energijos naudojančio{0}}paviršiaus poveikis
PTFE gerai atpažįstamas dėl sklandžių, nepridegančių{0}} savybių ir labai mažos paviršiaus energijos. Tos pačios savybės, suteikiančios PTFE cheminį atsparumą ir atsparumą užsiteršimui, taip pat turi įtakos virimo pradžiai ant jo paviršiaus.

Garų burbulas gali plėstis tik tuo atveju, jei yra nedidelė branduolio susidarymo vieta, kuri stabilizuoja mažą garų kišenę. Maži įbrėžimai, duobės ir defektai ant grubių metalinių paviršių natūraliai tarnauja kaip branduolio susidarymo vietos.

PTFE veikia skirtingai, nes:

Paviršius lygesnis.

Paviršiaus energija yra maža

Skysčiai blogiau sukimba

Pirmoji opozicija stabiliam burbulo kūrimui

Taigi, norint pradėti virti, paprastai reikia didesnio perkaitimo lygio.

Kas yra Superheat?
Perkaitimas yra skirtumas tarp šildytuvo paviršiaus temperatūros ir skysčio virimo temperatūros. Kadangi PTFE atsparus burbuliukų susidarymui, apvalkalo paviršius turi būti karštesnis nei lygiavertis metalinis paviršius, kad garų burbuliukai galėtų susidaryti tinkamai.

Tai šiek tiek vėluoja virimo pradžioje.

PTFE iš pradžių atlaiko virimą, bet kai jis prasideda, jis užverda su keistu mažu įniršiu.

Perėjimas nuo konvekcijos prie branduolinio virimo
Šildymas natūralia konvekcija
Šilumos pernešime prieš prasidedant branduolių virimui vyrauja natūrali konvekcija. Šiame režime:

Šiltas skystis pakyla link apvalkalo

Jis pakeičiamas vėsesniu skysčiu

Šilumos perdavimas vis dar gana vidutiniškas

Skysčio srautas yra gana švelnus ir santūrus.

Branduolių virimo pradžia
Viršijus perkaitimo slenkstį, burbulas gali staigiai susidaryti. Aktyvios branduolių susidarymo vietos ant PTFE apvalkalo paviršiaus pradeda generuoti garų burbuliukus.

Šiame etape:

Padidėja burbuliukų susidarymo greitis

Skysčių maišymo gerinimas

Padidėja paviršiaus turbulencija

Greitas šilumos perdavimo pagerinimas

Tai yra branduolinio virimo, kuris yra vienas efektyviausių šilumos perdavimo režimų skysto šildymo sistemose, pradžia.

Kodėl branduolių virinimas pagerina šilumos perdavimą
Burbulinis judėjimas kaip šilumos perdavimo mechanizmas
Verdant branduoliuose burbuliukai vienu metu atlieka kelis svarbius terminius vaidmenis.

Kai burbuliukai vystosi ir sprogsta:

Latentinė garavimo šiluma sugeria šilumą

Į paviršių iškyla naujas, šaltesnis skystis

Ribiniai sluoksniai sulaužomi

Vietinis sutrikimas smarkiai padidėja

Šis stiprus skysčio maišymas labai padidina šilumos perdavimo koeficientą.

Šiluminė energija nuo šildytuvo paviršiaus gali būti pašalinta žymiai efektyviau nei naudojant paprastą konvekciją virinant branduoliais.

Mažas, greitai{0}}burbuliuojantis (tęsinys)
Lygus PTFE paviršius skatina susidaryti daug mažų burbuliukų, o ne kelis didelius sujungtus. Maža paviršiaus energija padeda burbuliukams greitai išeiti, kai jie yra didesni už slenkstinį dydį.

Greitas burbulo išėjimas turi įvairių privalumų:

Sumažintas garų padengimas

Patobulintas skysčių pakeitimas

Energingesni branduolių susidarymo ciklai.

Patobulintas paviršiaus šlavimas

Judantis skystis ir garų burbuliukai, paliekantys paviršių, nuolat nuplauna apvalkalo paviršių, taip padidindami šilumos mainų efektyvumą.

Vatų tankio reikšmė
Virimo režimo šildytuvo galios suderinimas
Vatų tankis turi būti apgalvotai parinktas taip, kad PTFE panardinamasis šildytuvas saugiai veiktų branduolio virimo režimu.

Svarbūs elementai yra:

Skysčių savybės

Skysčio virimo temperatūra

Skysčių klampumas

Bako maišymo lygis

Srauto greitis

Šildytuvų derinimas

Jei vatų tankis nėra pakankamai didelis, virimas gali neišsivystyti iki galo, o tai apribos šilumines savybes. Jei vatų tankis yra per didelis, virimo procesas gali tapti nestabilus ir pavojingas.

skysčių susijaudinimas ir judėjimas
Mechaninis maišymas arba priverstinė cirkuliacija, kuri turi didelį poveikį branduolio virimui:

Greitesnis garų burbuliukų pašalinimas

Patobulintas skysčių papildymas

Kritinio šilumos srauto padidinimas

Šilumos perdavimo stabilizavimas

Gerai maišomos sistemos dažnai gali saugiai išlaikyti didesnį vatų tankį nei stovintys skysčiai.

Plėvelės virimas ir kritinis šilumos srautas
Saugaus branduolio virimo riba
Branduolių virimas yra labai pageidautinas tik laikantis saugaus veikimo apribojimų. Ši aukštesnė riba vadinama kritiniu šilumos srautu (CHF).

Pas kun. tada:

Burbuliukų susidarymas tampa per tankus

Pradeda vystytis garų antklodės

Sumažėjęs skysčio patekimas į apvalkalą

Virš šios ribos virimo režimas kokybiškai skiriasi.

Filmo virimo perėjimas
Virš kritinio šilumos srauto aplink šildytuvo paviršių gali susidaryti ištisinis izoliacinis garų sluoksnis. Tai vadinama plėvelės virimu.

Plėvelės virimas yra problemiškas, nes garai yra palyginti prastos šilumos perdavimo terpė, palyginti su skysčiu. Tada šildytuvo paviršiaus temperatūra gali pakilti.

Pasekmės gali būti:

PTFE perkaitimas

Apvalkalo pažeidimas

Šilumos degradacija

Šildytuvas neveikia

Trumpesnis tarnavimo laikas

Todėl projektuojant PTFE šildytuvus svarbu saugiai veikti žemiau CHF.

Kodėl PTFE gali palaikyti efektyvų virimą
Terminis našumas priešingas
PTFE gali būti geriausiai žinomas dėl savo izoliacijos ir cheminio inertiškumo, tačiau jo paviršiaus elgsena branduolio virimo metu gali būti ypač efektyvi užtikrinant šilumos perdavimą po virimo.

Mišinys iš:

Greitas burbulo išstūmimas

Sunkiųjų skysčių maišymas

Nuolatinis branduolių susidarymas 

Veiksmingas latentinis šilumos ištraukimas

sukuria labai aktyvią šiluminę sąsają.

Štai kodėl tinkamai sukonstruoti PTFE panardinami šildytuvai yra gana veiksmingi daugeliui cheminio šildymo sistemų su kontroliuojamu virimu.

Praktiniai dizaino aspektai
Šildytuvo dydžio nustatymas
Saugus veikimas priklauso nuo tikslaus suderinimo:

Vatų tankio šildytuvas

Skysčių chemija

Veikimo temperatūra

Cisternos dizainas

Srauto modeliai

Per didelis šildytuvas{0}} padidina plėvelės užvirimo ir vietinio perkaitimo riziką.

Paviršių būklė
PTFE iš prigimties yra atsparus nešvarumams. Tačiau per didelės nuosėdos ar susikaupęs dumblas-gali paveikti burbulų dinamiką ir apriboti šilumos perdavimo efektyvumą.

Reguliarūs patikrinimai užtikrina pastovų branduolio virimo elgesį.

Sistemos valdymo stabilumas
Tikslus temperatūros valdymas leidžia išvengti nereikalingo šiluminio ciklo ir užkerta kelią staigiems šilumos srauto šuoliams, galintiems sutrikdyti virimo režimą.

Santrauka ir išvada
Virimas ant PTFE šildytuvo paviršiaus yra dvipusis šiluminis efektas. Lygus, mažai energijos suvartojantis apvalkalas iš pradžių slopina burbuliukų susidarymą ir reikalauja daugiau perkaitinimo, kol prasideda branduolių susidarymas. Tačiau kai šis barjeras pažeidžiamas, branduolių virimas yra ypač stiprus ir stebėtinai efektyvus, labai padidindamas šilumos energijos srautą į skystį.

Pagrindinė inžinerinė problema, susijusi su branduolinio virimo šilumos perdavimo nuo PTFE šildytuvo paviršių, yra subalansuoti kontroliuojamą branduolių virimą ir kenksmingą plėvelės virimą. Tinkamai parinkus vatų tankį, skysčių maišymą ir šilumos reguliavimą, virimo procesas saugiai vyksta labai efektyviame branduolio režime.

Sudėtingas burbuliukų judėjimas per PTFE apvalkalą galiausiai lemia, kaip agresyviai gali būti stumiama šiluminė galia, išsaugant saugų ir patikimą šildytuvo veikimą.