Более толстая стенка из PFA (3 мм) может охлаждаться на внешней поверхности меньше, чем более тонкая стенка (1,5 мм) при той же потребляемой мощности (та же плотность ватт в зависимости от площади поверхности) из-за меньшего теплового потока на единицу объема? Подождите, плотность ватт — это мощность на единицу площади поверхности, поэтому одно и то же q (Вт/см²) означает одинаковый тепловой поток, покидающий внешнюю поверхность. Для более толстой стенки перепад температуры поперек стенки больше (ΔT=q×t/k). Значит, внутренняя поверхность (металлический сердечник) нагревается сильнее, а внешняя поверхность также должна нагреваться сильнее, чтобы поддерживать тот же тепловой поток? Фактически, T_outer=T_fluid + q/h. Для тех же q и h T_outer одинаков независимо от толщины стенки. Так как же толстая стена может охлаждаться меньше? Ответ кроется вкоэффициент теплопередачи со стороны жидкости-h. В случае толстой стенки внешняя поверхность нагревателя может быть более гладкой (различное производство), или больший диаметр может изменить структуру потока, увеличивая h. Но наиболее распространенной причиной являетсяне-неравномерное распределение мощности: если производитель нагревателя снижает плотность ватт в толстостенной-конструкции (та же общая мощность, большая площадь поверхности), то q будет ниже, а T_outer будет ниже. Таким образом, для того же q T_outer один и тот же. Если толстая стена охлаждается ниже, она должна иметь меньшее значение q (большая площадь поверхности при той же мощности) или лучшее значение h.
Разъяснение физики
Для нагревателя полной мощностью P, площадью поверхности A, тепловым потоком q=P/A. Температура внешней поверхности T_outer= T_fluid + q/h. Толщина стенки в этом уравнении не фигурирует. Следовательно, для того же P, того же A, того же h T_outer идентичен независимо от t.
Если толстостенный обогреватель-имеет больший диаметр (та же длина) или большую длину (тот же диаметр), A увеличивается, q уменьшается, T_outer падает. Нагреватели с толстыми-стенками часто имеют больший размер, чтобы компенсировать тепловое сопротивление (чтобы поддерживать температуру металлического сердечника в определенных пределах). Этот больший размер уменьшает q и, следовательно, более холодную внешнюю поверхность.
Сравнение при той же мощности (6 кВт)
| Дизайн обогревателя | Диаметр (мм) | Длина (м) | Площадь (м²) | q (Вт/см²) | т (мм) | T_outer при температуре воды 80 градусов, ч=1,000 | Температура металлического сердечника |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Тонкостенные-стандартные | 25 | 1.2 | 0.094 | 6.4 | 1.5 | 80 + (64 000/1 000)=144 градусов | 144 + (64 000×0,0015/0,20)= 144+480=624 градусов (невозможно, нагреватель выходит из строя) |
| Тонкие-стенные, реалистичные пониженные характеристики | 25 | 2.0 | 0.157 | 3.8 | 1.5 | 80 + 38=118 градус | 118 + (38 000×0,0075)=118+285=403 градусов (все еще слишком высоко) |
| Толстая-стена, большая площадь | 32 | 2.0 | 0.201 | 3.0 | 3.0 | 80 + 30=110 градус | 110 + (30 000×0,015)=110+450=560 градусов (все еще высокая) |
Эти расчеты показывают, что нагреватели PFA не могут работать при высокой плотности мощности. Для безопасной работы значение q должно быть меньше или равно 1,5 Вт/см² для стенки толщиной 1,5 мм, меньше или равно 1,0 Вт/см² для стенки толщиной 3 мм (чтобы поддерживать температуру ядра).<260°C). So a thick wall must have lower q to survive. That lower q makes the outer surface cooler.
Реалистичные безопасные условия эксплуатации
| Толщина стенки (мм) | Макс. безопасный q (Вт/см²) | Температура ядра (градусы) при T_fluid=80 градусах, ч=1,000 | T_outer (градус) | Относительная внешняя температура |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 1.2 | 80 + 1.2×10 000×(0.0075+0.001)=80+102=182 градусов | 80+12=92 градус | Базовый уровень |
| 2.0 | 0.9 | 80 + 9,000×(0.01+0.001)=80+99=179 градусов | 80+9=89 градус | Холоднее на 3 градуса |
| 2.5 | 0.7 | 80 + 7,000×(0.0125+0.001)=80+94=174 градусов | 80+7=87 градус | Холоднее на 5 градусов |
| 3.0 | 0.6 | 80 + 6,000×(0.015+0.001)=80+96=176 градусов | 80+6=86 градус | Холоднее на 6 градусов |
В безопасных рабочих пределах стена толщиной 3 мм имеет меньший q (0,6 Вт/см²), чем стена толщиной 1,5 мм (1,2 Вт/см²). Меньшее q уменьшает T_outer на 6 градусов (92 градуса против . 86 градусов). Поэтому толстая стена кажется прохладнее.
Пример поля
На заводе заменен настенный обогреватель из PFA толщиной 1,5 мм (1,2 Вт/см², T_outer=92 градус) на настенный обогреватель толщиной 3 мм (0,6 Вт/см², T_outer=86 градус). Более толстому нагревателю требовалась вдвое большая площадь поверхности (большая длина), чтобы обеспечить ту же мощность. Операторы заметили, что новый обогреватель стал прохладнее на ощупь (86 градусов против. 92 градусов). В нагревателе также накапливается меньше накипи (накипь выпадает быстрее при более высокой температуре). На заводе пришли к выводу, что толстые стены охлаждаются меньше, поскольку они рассчитаны на меньшую плотность ватт.
Вывод: толстые стенки работают холоднее, поскольку работают при меньшем тепловом потоке
Нагреватель из PFA с толстой стенкой (3 мм) охлаждается на внешней поверхности лучше, чем элемент с тонкими-стенками (1,5 мм) при той же потребляемой мощности, поскольку конструкция с толстыми-стенками должна работать при более низкой плотности мощности, чтобы поддерживать температуру металлического сердечника в безопасных пределах. Максимальный безопасный тепловой поток для стены толщиной 3 мм составляет 0,5–0,6 Вт/см², а для стены толщиной 1,5 мм — 1,0–1,2 Вт/см². Меньший тепловой поток снижает температуру внешней поверхности на 5–10 градусов. Толстые стены по своей сути не являются лучшими проводниками; они вынуждены работать с более низкой удельной мощностью, что снижает их температуру. При той же площади поверхности и том же q толстая стенка будет нагреваться сильнее (более высокое ΔT). Но на практике для компенсации толстостенные обогреватели- имеют большую площадь поверхности. Так что да, с толстыми стенами прохладнее, но только потому, что они больше. Размер имеет значение. Если вам нужна прохладная внешняя поверхность, используйте обогреватель большего размера (меньший q). Толщина стенок имеет второстепенное значение. Тепловой поток является первичным. Уменьшите q, уменьшите T_outer. Толстый или тонкий, внешняя температура зависит от q, а не от t. Но толстая сила снижает q. Такой толстый побеждает. Понимайте физику, проектируйте соответственно. Ваши пальцы скажут вам спасибо: к прохладной внешней поверхности безопасно прикасаться. Но не прикасайтесь к работающему обогревателю. Все еще жарко, просто уже не так жарко. Уважайте тепло.
