Kako nukleacija vrelih mehurčkov na površini PTFE grelnika vpliva na prenos toplote?

Ko se PTFE potopni grelnik segreje nad določeno temperaturo, ne segreje le tiho okoliške tekočine. Namesto tega postane dinamična pokrajina majhnih eksplozij hlapov. Drobni mehurčki nastanejo na površini ovoja, se hitro razvijejo, ločijo in dvignejo skozi tekočino ter pri tem odstranijo ogromne količine toplotne energije. Ta sprememba od običajne konvekcije tekočine do jedrnega vrenja je ena najbolj kritičnih sprememb v toplotnem obnašanju grelnika.

Interakcija med gladko površino PTFE in tvorbo parnih mehurčkov določa učinkovitost prenosa toplote v okoliško tekočino pri raziskavah prenosa toplote površinskega grelnika PTFE z jedrnim vreliščem.

Zakaj se PTFE pri vrenju obnaša drugače
Vpliv ravne,-nizkoenergijske površine
PTFE je znan po svojih gladkih lastnostih proti-sprijemanju in zelo nizki površinski energiji. Enake lastnosti, ki dajejo PTFE kemično odpornost in odpornost proti umazaniji, vplivajo tudi na to, kako se začne vrenje na njegovi površini.

Parni mehurček se lahko razširi le, če obstaja majhno mesto nukleacije, ki stabilizira majhen žep hlapov. Majhne praske, jamice in defekti na hrapavih kovinskih površinah seveda služijo kot mesta nukleacije.

PTFE deluje drugače, ker:

Površina je bolj gladka.

Površinska energija je nizka

Tekočine imajo slabši oprijem

Prvo nasprotovanje ustvarjanju stabilnega mehurčka

Zato je za začetek vretja običajno potrebna višja stopnja pregretja.

Kaj je Superheat?
Pregrevanje je razlika med temperaturo površine grelnika in vreliščem tekočine. Ker se PTFE upira nukleaciji mehurčkov, mora biti površina plašča bolj vroča od enakovredne kovinske površine, preden se parni mehurčki lahko pravilno razvijejo.

To povzroči majhno zamudo pri začetku vrenja.

PTFE sprva zdrži do vrenja, ko pa se začne, vre z nenavadno malo jezo.

Prehod s konvekcije na jedrno vrenje
Ogrevanje preko naravne konvekcije
Pri prenosu toplote pred začetkom jedrnega vrelišča prevladuje naravna konvekcija. V tem režimu:

Topla tekočina se dviga proti ovoju

Nadomesti ga hladnejša tekočina

Prenos toplote je še vedno precej zmeren

Pretok tekočine je precej blag in zadržan.

Začetek jedrnega vrenja
Ko je prag pregretja presežen, lahko nenadoma pride do nukleacije mehurčkov. Aktivna mesta nukleacije na površini PTFE plašča začnejo ustvarjati parne mehurčke.

Na tej stopnji:

Povečanje hitrosti nastajanja mehurčkov

Izboljšanje mešanja tekočin

Površinska turbulenca se poveča

Hitro izboljšanje prenosa toplote

To je začetek jedrnega vrenja, ki je eden najučinkovitejših možnih načinov prenosa toplote v sistemih za ogrevanje tekočin.

Zakaj jedrno vrenje izboljša prenos toplote
Gibanje mehurčkov kot mehanizem prenosa toplote
Pri jedrnem vrenju mehurčki opravljajo več kritičnih toplotnih vlog hkrati.

Ko se mehurčki razvijejo in ko počijo:

Latentna toplota uparjanja je absorbirala toploto

Nova, hladnejša tekočina se dvigne na površje

Mejne plasti se zlomijo

Lokalne motnje se močno povečajo

To močno mešanje tekočine močno poveča koeficient prenosa toplote.

Toplotno energijo je mogoče odstraniti s površine grelnika bistveno bolj učinkovito kot s preprosto konvekcijo z jedrnim vrenjem.

Majhen, hiter-kipi (nadaljevanje)
Gladka površina PTFE spodbuja nastajanje številnih majhnih mehurčkov namesto nekaj velikih povezanih. Nizka površinska energija pomaga mehurčkom, da hitro zapustijo, ko so večji od mejne velikosti.

Hiter izhod mehurčkov ima številne prednosti:

Zmanjšano prekrivanje s hlapi

Izboljšana zamenjava tekočine

Močnejši nukleacijski cikli.

Izboljšano pometanje površine

Gibljiva tekočina in parni mehurčki, ki zapuščajo površino, nenehno izpirajo površino ovoja in s tem povečujejo učinkovitost toplotne izmenjave.

Pomen vatne gostote
Režim vrenja Ujemanje moči grelnika
Gostoto v vatih je treba izbrati premišljeno, tako da potopni grelnik PTFE varno deluje v režimu jedrnega vrenja.

Pomembni elementi so:

Lastnosti tekočine

Temperatura vrelišča tekočine

Viskoznost tekočin

Stopnja mešanja rezervoarja

Hitrost pretoka

Poravnave grelnikov

Če vatna gostota ni dovolj visoka, se vrenje morda ne bo razvilo v celoti, kar bo omejilo toplotno zmogljivost. Če je gostota vatov previsoka, lahko postane proces vrenja nestabilen in nevaren.

vznemirjenost in gibanje tekočine
Mehansko mešanje ali prisilno kroženje, ki ima za posledico velik učinek na obnašanje jedrnega vrenja:

Hitrejša odstranitev parnih mehurčkov

Izboljšano dolivanje tekočine

Povečanje kritičnega toplotnega toka

Stabilizacija prenosa toplote

Dobro premešani sistemi lahko pogosto varno vzdržujejo večje gostote vatov kot stoječe tekočine.

Filmsko vretje in kritični toplotni tok
Meja varnega nukleatnega vrenja
Nuklearno vrenje je izjemno zaželeno le v okviru omejitev varnega delovanja. Ta višja meja se imenuje kritični toplotni tok (CHF).

Pri p. potem:

Nastajanje mehurčkov postane preveč gosto

Začnejo se razvijati parne odeje

Zmanjšana razpoložljivost tekočine za ovoj

Nad to mejo je režim vrenja kvalitativno drugačen.

Film Kipeč prehod
Nad kritičnim toplotnim tokom se lahko okoli površine grelnika oblikuje neprekinjena izolacijska plast pare. To imenujemo filmsko vrenje.

Filmsko vrenje je problematično, saj je para razmeroma slab medij za prenos toplote v primerjavi s tekočino. Temperatura površine grelnika se lahko nato dvigne.

Posledice so lahko:

Pregrevanje PTFE

Poškodba plašča

Toplotna razgradnja

Grelec, ne deluje

Krajša življenjska doba

Zato je pri zasnovi PTFE grelnikov pomembno, da varno delujejo pod CHF.

Zakaj lahko PTFE podpira učinkovito vrenje
Toplotna zmogljivost je kontraintuitivna
PTFE je morda najbolj znan po svoji izolaciji in kemični inertnosti, vendar je lahko njegovo površinsko obnašanje med jedrnim vrenjem izjemno učinkovito pri zagotavljanju prenosa toplote po začetku vrenja.

Mešanica:

Hiter izmet mehurčkov

Mešanje težkih tekočin

Kontinuirana nukleacija 

Učinkovito odvajanje latentne toplote

ustvari zelo aktiven toplotni vmesnik.

Za številne aplikacije kemičnega ogrevanja z nadzorovanim vrenjem so zato pravilno izdelani potopni grelniki PTFE zelo učinkoviti.

Praktični premisleki pri oblikovanju
Dimenzioniranje grelnika
Varno delovanje je odvisno od natančnega ujemanja:

Grelec z gostoto vatov

Tekočinske kemije

Delovna temperatura

Oblikovanje rezervoarja

Vzorci toka

Prevelik-grelnik poveča tveganje za vrenje filma in lokalno pregrevanje.

Stanje površin
PTFE je sam po sebi odporen na umazanijo. Vendar lahko čezmerne usedline ali kopičenje blata-vplivajo na dinamiko mehurčkov in omejijo učinkovitost prenosa toplote.

Redni pregledi zagotavljajo enakomerno jedrno vretje.

Stabilnost nadzora sistema
Natančen nadzor temperature preprečuje nepotrebno kroženje toplote in preprečuje nenadne skoke toplotnega toka, ki bi lahko motili režim vrenja.

Povzetek in zaključek
Vrenje na površini grelnika PTFE je -dvostranski toplotni učinek. Gladka, nizko{2}}energijska ovojnica na začetku zavira nastajanje mehurčkov in zahteva več pregretja, preden se začne nukleacija. Ko pa je ta pregrada prebita, je jedrno vrenje izjemno močno in presenetljivo učinkovito ter močno poveča pretok toplotne energije v tekočino.

Ključni inženirski problem pri prenosu toplote nukleatnega vrelišča s površin grelnikov PTFE je uravnotežiti nadzorovano jedrno vretje in škodljivo filmsko vretje. Ko so gostota vatov, mešanje tekočine in nadzor toplote pravilno izbrani, ostane proces vrenja varno v zelo učinkovitem jedrnem režimu.

Zapleteno gibanje mehurčkov po PTFE plašču na koncu narekuje, kako agresivno je mogoče potisniti toplotno moč, hkrati pa ohraniti varno in zanesljivo delovanje grelnika.