Ühtlane voolukiirus on soojusvaheti töös norm, kuid uuringud näitavad, et pulseerimise-rütmilise kiirendamise ja voolu aeglustamise- pealekandmine võib suurendada soojusülekannet ilma puhasvõimsust suurendamata. See intuitiivne meetod on eriti huvitav PTFE soojusvahetite jaoks, mis on tuntud oma madala soojusjuhtivuse poolest. Pulseeriv vool on kujunenud paljutõotavaks tehnikaks soojusülekande parandamiseks nendes süsteemides, pakkudes potentsiaalset lahendust PTFE soojusvahetite termilise jõudluse parandamiseks.
Pulseeriva voolu mehhanism PTFE soojusvahetites
Pulseeriv vool häirib stabiilse termilise piirkihi moodustumist toru sees, mis on üks peamisi soojusülekannet piiravaid tegureid traditsioonilistes püsivoolusüsteemides. Voolu perioodiliselt kiirendades ja aeglustades tekitavad pulsatsioonid vedelikus täiendavat segunemist. See piirkihi katkemine võimaldab tõhusamat soojusvahetust vedeliku ja PTFE toru seinte vahel.
Laboratoorsetes uuringutes on täheldatud, et pulseeriv vool suurendab soojusülekandetegurit ilma keskmist voolukiirust oluliselt tõstmata. Perioodiline võnkumine aitab suurendada vedeliku võimet soojust üle kanda, häirides toru seina lähedal seisvat vedelikku, mis tavaliselt toimib isoleeriva barjäärina. See häire suurendab vedeliku ja seina vahelist koostoimet, parandades soojusülekannet, ilma et oleks vaja suuremaid voolukiirusi.
Pulseeriva voolu mehhanismid
Pulseeriva voolu aeglustusfaasis eralduvad keerised voolu, tekitades turbulentsi, mis "küürib" toru seina. Need keerised aitavad lõhkuda termilise piirkihi, võimaldades vedelikul paremini toru pinnaga kokku puutuda, suurendades soojusülekannet.
Kiirendusfaasi ajal tungib vedeliku tuum -tavaliselt kõrgemal temperatuuril- torusse kaugemale. See värske, soojem vedelik suhtleb toru jahedamate piirkondadega, suurendades soojusvahetust. See võnkuv liikumine parandab segunemist, soodustades veelgi soojusülekannet üle PTFE toru pinna.
Pulseeriva voolu praktiline rakendamine
Voolu pulsatsioone saab tekitada erinevate meetoditega, näiteks kolbpumba, -kiire toimega ventiili või vedelikuostsillaatoriga. Kõik need meetodid toovad voolu sisse perioodilisi võnkumisi, aidates esile kutsuda soovitud segunemist ja tõhustada soojusülekannet.
Praktiline väljakutse on aga pulseerivate voolusüsteemide põhjustatud täiendav keerukus ja vibratsioonipotentsiaal. Kuigi soojusülekande eelised on selged, tuleb pulseeriva süsteemi konstruktsioonis arvestada võimalike mehaaniliste pingete ja vibratsiooniga, mis võivad süsteemi tekkida, eriti kui see töötab kõrgetel sagedustel või tundlike komponentidega süsteemides.
Pulseeriva voolu mõju voolurežiimidele
Pulseeriva voolu mõju avaldub kõige enam laminaarses ja üleminekuvoolurežiimis, kus selle suhteline mõju segunemisele on suurim. Nendes voolurežiimides ei ole vool nii turbulentne kui täielikult arenenud turbulentses voolus, mistõttu on pulsatsioonide eelised piirkihi katkestamisel märgatavamad. Suuremate Reynoldsi arvude korral, kus turbulents tagab juba olulise segunemistaseme, väheneb pulseeriva voolu mõju soojusülekandele.
Kuigi pulseeriv vool parandab tõhusalt soojusülekannet madalamate Reynoldsi arvude korral, tuleb netoenergiasäästu hoolikalt hinnata. Pulsatsioonide tekitamiseks vajalik energia, eriti kui kasutatakse aktiivseid meetodeid, nagu kolbpumbad või kiiretoimelised{1}ventiilid, võib kompenseerida mõningaid soojusülekande täiustusi. Seda kompromissi tuleb arvesse võtta, kui otsustatakse, kas pulseeriv vool on antud rakenduse jaoks sobiv täiustamismeetod.
Järeldus
Pulseeriv vool on uudne ja nišimeetod soojusülekande parandamiseks PTFE-soojusvahetites, eriti tõhus madala Reynoldsi arvuga töötavates süsteemides. Termilise piirkihi katkestamise ja vedeliku segunemise tõhustamise tõttu võivad pulsatsioonid oluliselt suurendada soojusülekandetegurit, ilma et oleks vaja suuremaid keskmisi kiirusi. Selle tehnika rakendamisel tuleb siiski arvesse võtta praktilisi kaalutlusi, sealhulgas vibratsioonipotentsiaali ja pulsatsioonide tekitamiseks vajalikku energiat. Pulseeriv vool koos teiste aktiivsete ja passiivsete täiustamismeetoditega on mitmekülgne tööriistakast soojusinseneridele, kes soovivad optimeerida PTFE soojusvaheti jõudlust.
