Kako toplotna prevodnost segrete tekočine vpliva na mejno vrednost vatne gostote PTFE grelnika?

Če enako gostoto vatov uporabimo v gostem olju, se bo potopni grelnik PTFE z močjo 1,5 vata na kvadratni centimeter v dobro-vodni kopeli hitro pregrel in odpovedal. Sposobnost tekočine za prenos toplote stran je tisto, kar naredi razliko, ne grelec. Za varne in zanesljive specifikacije grelnika je ključnega pomena razumeti, zakaj se to zgodi.

Funkcija tekočine pri prenosu toplote
Največja dovoljena izhodna moč PTFE grelnika na enoto površine ni določena v kamen. Učinkovitost, s katero okoliški medij absorbira in prenaša toploto stran od ovoja, določa toplotno prevodnost toplotne prevodnosti vatne gostote PTFE grelnika.

Nizka viskoznost vode in sorazmerno visoka toplotna prevodnost približno 0,6 W/m·K spodbujata močno naravno konvekcijo. Pri običajnih nastavitvah potopitve te lastnosti omogočajo hitro odvajanje toplote s površine grelnika, kar omogoča gostoto v vatih do 1,5 W/cm².

Težka olja, sintetične tekočine za prenos toplote in polimeri se obnašajo drugače. Njihova toplotna prevodnost je pogosto med 0,1 in 0,2 W/m·K. Te tekočine zavirajo naravno konvekcijo v kombinaciji z visoko viskoznostjo. PTFE plašč je obdan z izolacijsko, nepremično mejno plastjo, ki lokalno zadržuje toploto.

Posledice nizke toplotne prevodnosti
Temperatura na površini plašča se močno poveča, ko mejna plast ne more dovolj hitro odvajati toplote. Žica z notranjim uporom deluje bistveno bolj vroča v tipičnih okoliščinah, čeprav ima sam PTFE najvišjo stalno delovno temperaturo približno 110 stopinj. Previsoka vatna gostota dvigne temperaturo žice nad sprejemljive meje, kar pospeši propadanje izolacije in povzroči zgodnjo odpoved grelnika.

V resnici je zgornja meja moči grelnika določena s toplotno lastnostjo tekočine. Tipična napaka je dimenzioniranje oljnega grelnika na podlagi vodnih-pravil, ki izhajajo iz palca, pri čemer se pričakuje, da bo enaka gostota vatov ustrezna.

Smernice za varno vatno gostoto za tekočine z nizko{0}}prevodnostjo
Običajno merilo za raztopine na vodni- osnovi z zadostnim mešanjem je največja vatna gostota 1,5 W/cm². Vendar pa se meja drastično zmanjša na približno 0,5 W/cm² za mirna olja in številne taline polimerov.

Predlagani razponi zmanjšanja
Odvisno od natančnih lastnosti tekočine imajo olja in ne-mešani polimeri največjo vatno gostoto 0,3–0,8 W/cm².

Spodnji del območja (0,3–0,5 W/cm2) je priporočljiv za viskozne ali počasne tekočine.

Le pri dodanem mehanskem mešanju se lahko upoštevajo višje vrednosti (0,6–0,8 W/cm²).

Funkcija mehanskega mešanja
Zunanje vznemirjenje postane ključno za viskozne tekočine. Prenos toplote se poveča s prisilno konvekcijo, ki poruši izolacijsko mejno plast. Vendar pa zaradi zgornje meje notranje toplotne prevodnosti tekočine, tudi pri mešanju, ostane mejna gostota vatov toplotna prevodnost tekočine PTFE grelnik nižja od tiste za vodo.

Pomen notranje temperature žice
Žica notranjega upora je zaščitena pred kemičnimi poškodbami in električnim uhajanjem s PTFE plaščem. V nasprotju s kovinami je PTFE toplotni izolator. Toplota, proizvedena v žici, mora priti mimo stene plašča in v tekočino v razsutem stanju preko mejne plasti. Temperatura žice se znatno poveča, če robna plast blokira pretok toplote.

V vodi lahko PTFE grelnik, ki deluje pri 1,5 W/cm², vzdržuje temperaturo žice znatno pod nevarnimi mejami. Temperaturo žice je mogoče dvigniti precej nad 200 stopinj z enakim grelcem v olju pri enaki gostoti vatov, kar bo povzročilo hitro oksidacijo uporne zlitine in sčasoma povzročilo prekinjeno-okvaro tokokroga.

Koristni nasveti za izbiro grelnika
Vedno opišite toplotno prevodnost tekočine. Če podatki niso na voljo, je priporočljivo uporabiti konzervativno zmanjšanje.

Začnite z največ 0,5 W/cm² za olja in polimere. Za izjemno viskozne ali počasne situacije zmanjšajte še bolj.

Kadar je to izvedljivo, uporabite mehansko mešanje, da izboljšate prenos toplote in omogočite nekoliko večjo gostoto v vatih v območju 0,6–0,8 W/cm².

Za tekočine z nizko-prevodnostjo ne bi smeli domnevati, da so podvržene omejitvam gostote-vatov na osnovi vode. Ta predpostavka je eden glavnih razlogov za zgodnjo odpoved grelnika.

Za zaključek
Med tekočino in grelcem se oblikuje toplotno zavezništvo. Poleg zmožnosti okoliškega medija za odvajanje toplote noben PTFE grelec ne more varno delovati. Nastavitev varne gostote vatov za PTFE grelnik se začne z razumevanjem, kako toplotna prevodnost omejuje konvektivni prenos toplote. Na dolgo življenjsko dobo grelnika neposredno vpliva izbira gostote v vatih, ki upošteva sposobnost tekočine za prenos toplote, s čimer se prepreči pregrevanje, okvara izolacije in dragi izpadi. Zmanjšanje na 0,3–0,8 W/cm²-v kombinaciji z mešanjem, kjer je to izvedljivo-zagotavlja zanesljivo dolgoročno-delovanje za tekočine z nizko-prevodnostjo, kot so olja in polimeri.