Граница на кипене
PTFE топлообменник, работещ при високо налягане на пара във водна баня с ниска{0}}температура, може да претърпи кипене на повърхността на тръбата. Когато температурата на стената на тръбата превиши температурата на насищане на работния флуид, на повърхността се образуват мехурчета от пара. При умерени топлинни потоци ядреното кипене подобрява преноса на топлина-възбуждането на мехурчетата разрушава термичния граничен слой и увеличава ефективния коефициент на топлопреминаване.
Има обаче максимален топлинен поток, отвъд който мехурчетата се сливат в непрекъснат филм от пара, който покрива повърхността на тръбата. Това е критичният топлинен поток. Над този поток парният филм изолира тръбата, температурата на стената се повишава бързо и преносът на топлина се срива. Стената на тръбата може да достигне температури, които надвишават работната граница на PTFE, причинявайки разграждане на материала.
Критичният топлинен поток зависи от диаметъра на тръбата. По-малките тръби имат по-висок критичен топлинен поток, тъй като мехурчетата се отделят по-лесно от извитата повърхност, предотвратявайки натрупването на пара. Разбирането на тази връзка позволява на проектанта на топлообменника да избере диаметър на тръбата, който осигурява адекватен марж между проектния топлинен поток и критичната граница.
Ефектът на диаметъра върху критичния топлинен поток
Критичният топлинен поток за кипене на басейн върху хоризонтален цилиндър се дава от корелацията на Зубер-Кутателадзе, модифицирана за диаметъра на цилиндъра. За цилиндри с диаметри, по-големи от дължината на капиляра (приблизително 2,7 mm за вода), критичният топлинен поток е приблизително: q_CHF=0.131 × h_fg × ρ_v^(1/2) × [σ × g × (ρ_l - ρ_v)]^(1/4) × f(D), където f(D) е фактор за коригиране на диаметъра.
За малки диаметри (по-малко от приблизително 5 mm), критичният топлинен поток се увеличава с намаляване на диаметъра. Парните мехурчета са сравними по размер с диаметъра на тръбата и се отделят бързо. За по-големи диаметри (по-големи от 10 mm), критичният топлинен поток се доближава до стойността на плоската-плоча, независимо от диаметъра.
За PTFE тръби в 6-12mm OD диапазон, типичен за обслужване на топлообменник, критичният топлинен поток във вода при атмосферно налягане е приблизително 800-1200 kW/m². Това е доста над проектния топлинен поток на типичен PTFE топлообменник (10-30 kW/m²), така че кризата на кипене рядко е проектно ограничение за нормална работа.
| Тръба OD (mm) | Относителен критичен топлинен поток | Проектен топлинен поток за PTFE топлообменник (kW/m²) | Марж (CHF / дизайн) |
|---|---|---|---|
| 6 | 1.15 | 25 | ~50× |
| 8 | 1.05 | 20 | ~55× |
| 10 | 1,00 (базова линия) | 18 | ~60× |
| 12 | 0.95 | 15 | ~70× |
PTFE{0}}специфичното поведение при кипене
Ниската повърхностна енергия на PTFE влияе на поведението при кипене. Контактният ъгъл на вода върху PTFE е приблизително 108 градуса, в сравнение с 30-60 градуса при метални оксиди. Високият контактен ъгъл означава, че парните мехурчета върху PTFE имат по-малка контактна площ с повърхността, отделят се по-лесно и е по-малко вероятно да се слеят в непрекъснат филм. Критичният топлинен поток върху PTFE е малко по-висок, отколкото върху намокряема метална повърхност със същия диаметър.
Ниската топлопроводимост на PTFE също влияе на кипенето. Топлината трябва да преминава през стената на тръбата към кипящата повърхност. Ако топлинното съпротивление на стената е високо, вътрешната стена може да достигне температурната граница на PTFE, преди външната стена да достигне критичния топлинен поток. Проектното ограничение за PTFE е по-често максималната температура на стената (260 градуса), отколкото критичният топлинен поток.
Импликацията на дизайна
За повечето приложения на PTFE топлообменник във водни разтвори критичният топлинен поток не е ограничаващ фактор. Проектният топлинен поток (10-30 kW/m²) е 50-70 пъти по-нисък от критичния топлинен поток (800-1200 kW/m²). Маржът е достатъчен и изборът на диаметър на тръбата може да се основава на други съображения - оптимизиране на площта на топлопреносната повърхност, съпротивление на потока и механична якост.
За приложения с високо налягане на парата и ниска температура на технологичния флуид, където проектантът може да се изкуши да увеличи топлинния поток, трябва да се проверят както критичният топлинен поток, така и максималната температура на PTFE стената. Управлява по-ниската от двете граници.
Резюме
Критичният топлинен поток за кипене на PTFE топлообменни тръби се увеличава леко с намаляване на диаметъра на тръбата, но за диапазона от 6-12 mm OD, използван в индустриалните топлообменници, CHF е 800-1200 kW/m² - много над типичния проектен топлинен поток от 10-30 kW/m². Границата на кипене не е проектно ограничение за повечето приложения. Високият контактен ъгъл на PTFE леко подобрява CHF в сравнение с металните повърхности. Основната термична граница за PTFE е максималната работна температура от 260 градуса, а не кризата на кипене.
Инженерна поддръжка за термичен дизайн на PTFE топлообменник е достъпна при подаване на налягане на парата, температура и свойства на технологичния флуид и необходимата топлинна мощност.
