Kā viršanas burbuļu veidošanās uz PTFE sildītāja virsmas ietekmē siltuma pārnesi?

Kad PTFE iegremdējamais sildītājs tiek uzkarsēts virs noteiktas temperatūras, tas ne tikai klusi silda apkārtējo šķidrumu. Tā vietā tā kļūst par dinamisku nelielu tvaika sprādzienu ainavu. Sīki burbuļi veido kodolu uz apvalka virsmas, ātri attīstās, atdalās un paceļas pa šķidrumu, procesā noņemot milzīgu daudzumu siltumenerģijas. Šī pāreja no normālas šķidruma konvekcijas uz viršanu kodolā ir viena no vissvarīgākajām sildītāja termiskās uzvedības izmaiņām.

Mijiedarbība starp gludu PTFE virsmu un tvaika burbuļu veidošanos nosaka siltuma pārneses efektivitāti apkārtējā šķidrumā kodolu viršanas PTFE sildītāja virsmas siltuma pārneses pētījumos.

Kāpēc PTFE vārot uzvedas atšķirīgi
Plakanas, zemas{0}}enerģijas virsmas ietekme
PTFE ir labi atpazīstams, pateicoties tā gludajām nepiedegošajām īpašībām un ļoti zemo virsmas enerģiju. Tās pašas īpašības, kas nodrošina PTFE ķīmisko izturību un izturību pret piesārņojumu, ietekmē arī to, kā uz tā virsmas tiek uzsākta viršana.

Tvaika burbulis var izplesties tikai tad, ja ir maza kodolu veidošanās vieta, kas stabilizē nelielu tvaiku kabatu. Nelieli skrāpējumi, bedres un defekti uz raupjām metāla virsmām, protams, kalpo kā kodolu veidošanās vietas.

PTFE darbojas atšķirīgi, jo:

Virsma ir gludāka.

Virsmas enerģija ir zema

Šķidrumiem ir sliktāka adhēzija

Pirmā opozīcija stabila burbuļa veidošanai

Tādējādi, lai sāktu vārīšanu, parasti ir nepieciešams augstāks pārkarsēšanas līmenis.

Kas ir Superheat?
Pārkarsēšana ir starpība starp sildītāja virsmas temperatūru un šķidruma viršanas temperatūru. Tā kā PTFE ir izturīgs pret burbuļu veidošanos, apvalka virsmai jābūt karstākai nekā līdzvērtīgai metāla virsmai, lai varētu pareizi veidoties tvaika burbuļi.

Tas ievieš nelielu viršanas sākuma aizkavēšanos.

PTFE sākumā iztur vārīšanās temperatūru, bet, kad tā sākas, tas vārās ar dīvainu mazu niknumu.

Pāreja no konvekcijas uz kodolvielu vārīšanu
Apkure, izmantojot dabisko konvekciju
Siltuma transportēšanā pirms kodolu viršanas sākuma dominē dabiskā konvekcija. Šajā režīmā:

Silts šķidrums paceļas uz apvalka pusi

To aizstāj ar vēsāku šķidrumu

Siltuma pārnese joprojām ir diezgan mērena

Šķidruma plūsma ir diezgan maiga un atturīga.

Kodolvielu vārīšanās uzsākšana
Kad pārkaršanas slieksnis ir pārsniegts, burbuļu veidošanās var notikt pēkšņi. Aktīvās kodēšanas vietas uz PTFE apvalka virsmas sāk radīt tvaika burbuļus.

Šajā posmā:

Burbuļu veidošanās ātruma palielināšanās

Šķidrumu sajaukšanas uzlabošana

Virsmas turbulence ir palielināta

Ātra siltuma pārneses uzlabošana

Tas ir kodolu viršanas sākums, kas ir viens no efektīvākajiem iespējamajiem siltuma pārneses režīmiem šķidrās apkures sistēmās.

Kāpēc kodolvielu vārīšana uzlabo siltuma pārnesi?
Burbuļu kustība kā siltuma pārneses mehānisms
Kodolu vārīšanas laikā burbuļi vienlaikus pilda vairākas kritiskas termiskās lomas.

Kad burbuļi attīstās un plīst:

Latentais iztvaikošanas siltums absorbēja siltumu

Jauns, aukstāks šķidrums paceļas uz virsmas

Robežslāņi tiek salauzti

Vietējie traucējumi strauji palielinās

Šī spēcīgā šķidruma maisīšana ļoti būtiski palielina siltuma pārneses koeficientu.

Siltuma enerģiju no sildītāja virsmas var noņemt ievērojami efektīvāk nekā ar vienkāršu konvekciju, vārot kodolā.

Mazs, ātri{0}}burbuļojošs (turpinājums)
Gludā PTFE virsma veicina daudzu mazu burbuļu veidošanos, nevis dažu lielu savienotu burbuļu veidošanos. Zema virsmas enerģija palīdz burbuļiem ātri iziet, ja tie ir lielāki par sliekšņa lielumu.

Ātrai burbuļa izejai ir vairākas priekšrocības:

Samazināta apsegšana ar tvaikiem

Uzlabota šķidruma aizstāšana

Spēcīgāki nukleācijas cikli.

Uzlabota virsmas slaucīšana

Kustīgais šķidrums un tvaika burbuļi, kas atstāj virsmu, nepārtraukti skalo apvalka virsmu, tādējādi palielinot siltuma apmaiņas efektivitāti.

Vatu blīvuma nozīme
Sildītāja viršanas režīma jaudas saskaņošana
Vatu blīvums ir saprātīgi jāizvēlas tā, lai PTFE iegremdēšanas sildītājs droši darbotos kodolvielu viršanas režīmā.

Svarīgi elementi ir:

Šķidruma īpašības

Šķidruma viršanas temperatūra

Šķidrumu viskozitāte

Tvertnes satraukuma līmenis

Plūsmas ātrums

Sildītāja izlīdzināšana

Ja vatu blīvums nav pietiekami augsts, vārīšanās var neattīstīties līdz galam, kas ierobežos siltuma veiktspēju. Ja vatu blīvums ir pārāk augsts, vārīšanās process var kļūt nestabils un bīstams.

šķidruma uzbudinājums un kustība
Mehāniska sajaukšana vai piespiedu cirkulācija, kas lieliski ietekmē kodolu viršanas uzvedību:

Ātrāka tvaika burbuļu noņemšana

Uzlabota šķidruma uzpildīšana

Kritiskās siltuma plūsmas uzlabošana

Siltuma pārneses stabilizācija

Labi sajauktas sistēmas bieži spēj droši izturēt lielāku vatu blīvumu nekā stāvoši šķidrumi.

Plēves vārīšanās un kritiskā siltuma plūsma
Drošas kodolvielu vārīšanās robeža
Kodolvielu vārīšana ir ārkārtīgi vēlama tikai drošas darbības robežās. Šo augstāko robežu sauc par kritisko siltuma plūsmu (CHF).

Pie Fr. tad:

Burbuļu veidošanās kļūst pārāk blīva

Tvaika segas sāk veidoties

Samazināta šķidruma pieejamība apvalkam

Virs šīs robežas viršanas režīms ir kvalitatīvi atšķirīgs.

Filmas vārīšanās pāreja
Virs kritiskās siltuma plūsmas ap sildītāja virsmu var izveidoties nepārtraukts izolācijas tvaika slānis. To sauc par plēves vārīšanu.

Plēves vārīšana ir problemātiska, jo tvaiki ir salīdzinoši vāja siltuma pārneses vide, salīdzinot ar šķidrumu. Pēc tam sildītāja virsmas temperatūra var paaugstināties.

Sekas var būt:

PTFE pārkaršana

Apvalka bojājumi

Siltuma degradācija

Sildītājs nedarbojas

Īsāks kalpošanas laiks

Līdz ar to PTFE sildītāju konstrukcijā ir svarīgi, lai tie darbotos droši zem CHF.

Kāpēc PTFE var atbalstīt efektīvu vārīšanu?
Termiskās veiktspējas pretintuitīvs
PTFE var būt vislabāk pazīstams ar savu izolāciju un ķīmisko inerci, taču tā virsmas uzvedība kodolu viršanas laikā var būt ļoti efektīva, nodrošinot siltuma pārnesi pēc viršanas uzsākšanas.

Maisījums no:

Ātra burbuļu izmešana

Smago šķidrumu maisīšana

Nepārtraukta nukleācija 

Efektīva latentā siltuma ekstrakcija

rada ļoti aktīvu termisko saskarni.

Šī iemesla dēļ PTFE iegremdējamie sildītāji, kas ir pareizi uzbūvēti, ir diezgan efektīvi daudzos ķīmiskās apkures lietojumos ar kontrolētu viršanu.

Praktiski apsvērumi dizainā
Sildītāja izmēra noteikšana
Droša darbība ir atkarīga no precīzas atbilstības:

Vatu blīvuma sildītājs

Šķidruma ķīmija

Darbības temperatūra

Tvertnes dizains

Plūsmas modeļi

Pārmērīgs sildītājs-paaugstina plēves uzvārīšanās un lokālas pārkaršanas risku.

Virsmu stāvoklis
PTFE pēc savas būtības ir izturīgs pret netīrumiem. Tomēr pārmērīgas nogulsnes vai dūņu uzkrāšanās-var ietekmēt burbuļu dinamiku un ierobežot siltuma pārneses efektivitāti.

Regulāras pārbaudes nodrošina vienmērīgu kodolu viršanas darbību.

Sistēmas vadības stabilitāte
Precīza temperatūras kontrole novērš nevajadzīgu termisko ciklu un novērš pēkšņus siltuma plūsmas pārspriegumus, kas varētu izjaukt vārīšanās režīmu.

Kopsavilkums un secinājums
Vārīšanās uz PTFE sildītāja virsmas ir divpusējs termiskais efekts. Gludais, zemas enerģijas{2}}apvalks sākotnēji kavē burbuļu veidošanos un prasa lielāku pārkarsēšanu, pirms sākas kodola veidošanās. Bet, tiklīdz šī barjera tiek pārkāpta, kodolu vārīšanās ir ārkārtīgi spēcīga un pārsteidzoši efektīva, ievērojami palielinot siltumenerģijas plūsmu šķidrumā.

Galvenā inženiertehniskā problēma kodolu viršanas siltuma pārvadē no PTFE sildītāja virsmām ir līdzsvarot kontrolētu kodolu viršanu un kaitīgo plēves viršanu. Ja ir pareizi izvēlēts vatu blīvums, šķidruma maisīšana un siltuma kontrole, viršanas process droši saglabājas ļoti efektīvajā kodolu režīmā.

Sarežģītā burbuļu kustība pa PTFE apvalku galu galā nosaka, cik agresīvi var tikt virzīta siltuma jauda, ​​vienlaikus saglabājot drošu un uzticamu sildītāja darbību.