Како нуклеација мехурића кључања на површини ПТФЕ грејача утиче на пренос топлоте?

Када се ПТФЕ урањајући грејач загреје изнад одређене температуре, он не само да тихо загрева околну течност. Уместо тога, постаје динамичан пејзаж малих експлозија паре. Сићушни мехурићи стварају језгро на површини омотача, брзо се развијају, одвајају се и уздижу кроз течност, уклањајући при том огромне количине топлотне енергије. Ова промена од нормалне течне конвекције до кључања језгра је једна од најкритичнијих промена у термичком понашању грејача.

Интеракција између глатке површине ПТФЕ и формирања мехурића паре одређује ефикасност преноса топлоте у околни флуид у истраживању површинског преноса топлоте ПТФЕ грејача са нуклеатом кључања.

Зашто се ПТФЕ понаша другачије у кључању
Утицај равне,{0}}нискоенергетске површине
ПТФЕ је добро познат по својим глатким својствима{0}}не лепљења и веома ниској површинској енергији. Исти квалитети који дају ПТФЕ-у његову хемијску отпорност и отпорност на прљање такође утичу на то како се кључање покреће на његовој површини.

Парни мехур се може проширити само ако постоји мало место нуклеације које стабилизује мали џеп паре. Мале огреботине, рупице и дефекти на грубим металним површинама природно служе као места нуклеације.

ПТФЕ делује другачије јер:

Површина је глаткија.

Површинска енергија је ниска

Течности имају лошије пријањање

Прва опозиција стварању стабилног балона

Дакле, кључање обично захтева већи ниво прегревања да би почело.

Шта је прегревање?
Прегрејаност је разлика између температуре површине грејача и тачке кључања течности. Пошто је ПТФЕ отпоран на нуклеацију мехурића, површина омотача мора бити топлија од еквивалентне металне површине пре него што се мехурићи паре могу правилно развити.

Ово доводи до малог кашњења у почетку кључања.

ПТФЕ у почетку издржи кључање, али када почне, кључа са чудном малом љутњом.

Прелазак са конвекције на језгро кључања
Грејање путем природне конвекције
Преносом топлоте пре почетка кључања нуклеата доминира природна конвекција. У овом режиму:

Топла течност се диже према омотачу

Замењује га хладнија течност

Пренос топлоте је и даље прилично умерен

Проток течности је прилично благ и уздржан.

Покретање нуклеатног кључања
Када се прекорачи праг прегревања, може доћи до нагло нуклеације мехурића. Активна места нуклеације на површини ПТФЕ омотача почињу да стварају мехуриће паре.

у овој фази:

Повећање брзине формирања мехурића

Побољшање мешања течности

Површинска турбуленција је повећана

Брзо побољшање преноса топлоте

Ово је почетак нуклеатног кључања које је један од најефикаснијих могућих начина преноса топлоте у течним системима грејања.

Зашто нуклеатно кључање побољшава пренос топлоте
Кретање мехурића као механизам преноса топлоте
У нуклеатном кључању, мехурићи истовремено служе вишеструким критичним термичким улогама.

Како се мехурићи развијају и пуцају:

Латентна топлота испаравања је апсорбовала топлоту

Нова, хладнија течност излази на површину

Гранични слојеви се разбијају

Локални поремећај нагло расте

Ово насилно мешање течности повећава коефицијент преноса топлоте веома значајно.

Топлотна енергија се може уклонити са површине грејача знатно ефикасније него једноставном конвекцијом нуклеатним кључањем.

Мала, брза-бублинг далеко (наставак)
Глатка површина ПТФЕ-а подстиче производњу много малих мехурића уместо неколико великих повезаних. Ниска површинска енергија помаже да мехурићи брзо напусте када су већи од граничне величине.

Брзи излаз мехурића има различите предности:

Покривање парама смањено

Побољшана замена течности

Снажнији циклуси нуклеације.

Побољшано чишћење површине

Покретна течност и мехурићи паре који напуштају површину непрекидно испирају површину омотача, чиме се повећава ефикасност топлотне размене.

Значај густине вата
Усклађивање снаге грејача режима кључања
Густина у ватима мора бити разборито одабрана тако да ПТФЕ имерзиони грејач ради безбедно у режиму кључања језгри.

Важни елементи су:

Особине течности

Температура кључања течности

Вискозност течности

Ниво мешања резервоара

Брзина протока

Поравнања грејача

Ако густина у ватима није довољно висока, кључање се можда неће у потпуности развити, што ће ограничити термичке перформансе. Ако је густина у ватима превисока, процес кључања може постати нестабилан и опасан.

узнемиреност и кретање течности
Механичка агитација или присилна циркулација која резултира великим ефектом на понашање кључања језгара:

Брже уклањање мехурића паре

Побољшано пуњење течности

Повећање критичног топлотног флукса

Стабилизација преноса топлоте

Добро агитирани системи су често у стању да безбедно издрже веће густине у ватима од стајаћих течности.

Кипљење филма и критични топлотни флукс
Граница безбедног кључања нуклеата
Нуклеатно кључање је изузетно пожељно само у оквиру безбедних радних ограничења. Ова виша граница се назива критични топлотни ток (ЦХФ).

Код о. онда:

Формирање мехурића постаје превише густо

Парни покривачи почињу да се развијају

Смањена доступност течности за омотач

Изнад ове границе режим кључања је квалитативно другачији.

Филм Боилинг Транситион
Изнад критичног топлотног флукса, око површине грејача може да се формира непрекидни изолациони парни слој. Ово се назива филмско кључање.

Кључање филма је проблематично јер је пара релативно лош медиј за пренос топлоте у поређењу са течношћу. Температура површине грејача тада може порасти.

Последице могу бити:

Прегревање ПТФЕ

Оштећење омотача

Деградација топлоте

Грејач, не ради

Краћи век трајања

Због тога је важно, у дизајну ПТФЕ грејача, да раде безбедно испод ЦХФ.

Зашто ПТФЕ може да подржи ефикасно кључање
Термалне перформансе су контраинтуитивне
ПТФЕ је можда најпознатији по својој изолацији и хемијској инертности, али његово површинско понашање током кључања нуклеата може бити изузетно ефикасно у обезбеђивању преноса топлоте након што се кључање започне.

Мешавина:

Брзо избацивање мехурића

Мешање тешких течности

Континуирана нуклеација 

Ефикасна екстракција латентне топлоте

ствара веома активан термални интерфејс.

За многе примене хемијског грејања са контролисаним кључањем, због тога су правилно направљени ПТФЕ урањајући грејачи прилично ефикасни.

Практична разматрања у дизајну
Димензионисање грејача
Безбедан рад зависи од прецизног подударања:

Грејач густине вати

Хемије течности

Температура рада

Дизајн резервоара

Обрасци тока

Превелик{0}} грејач повећава ризик од кључања филма и локалног прегревања.

Стање површина
ПТФЕ је инхерентно отпоран на прљавштину. Међутим, прекомерне наслаге или накупљање муља-могу да утичу на динамику мехурића и ограниче ефикасност преноса топлоте.

Редовне инспекције обезбеђују стабилно понашање кључања језгара.

Стабилност контроле система
Прецизна контрола температуре избегава непотребне термичке циклусе и спречава нагле скокове топлотног тока који би могли пореметити режим кључања.

Резиме и закључак
Врење на површини ПТФЕ грејача је двострани{0}}термички ефекат. Глатки, нискоенергетски омотач у почетку инхибира стварање мехурића и захтева више прегревања пре него што нуклеација почне. Али када се ова баријера пробије, кључање језгара је изузетно снажно и изненађујуће ефикасно, увелико појачавајући проток топлотне енергије у течност.

Кључни инжењерски проблем у преносу топлоте кључања језгра са површина ПТФЕ грејача је балансирање контролисаног кључања нуклеата и кључања штетног филма. Када су густина у ватима, мешање течности и контрола топлоте правилно одабрани, процес кључања остаје безбедно унутар високо ефикасног нуклеатног режима.

Компликовано кретање мехурића преко ПТФЕ омотача на крају диктира колико агресивно може бити потиснута топлотна снага уз очување безбедног и поузданог рада грејача.