Kako debljina PTFE hladne zone utječe na gubitak topline i temperaturu terminala?

Ovo je značajka. PTFE uronjeni grijači dizajnirani su tako da imaju hladnu zonu - područje iznad linije tekućine koje se ne grije ili se lagano grije. Veličina i debljina ove hladne zone izravno određuju koliko se topline gubi u razvodnoj kutiji i ostaju li električni priključci unutar sigurnog temperaturnog raspona. Grijač u korozivnoj tekućoj kupelji ima kritični toplinski kontakt u području grijača iznad površine tekućine (tj. hladnoj zoni). Veza između gubitka topline debljine hladne zone PTFE grijača i terminalne temperature važna je u dizajnu učinkovitih i pouzdanih sustava grijanja.

Toplinski protupožarni prolaz: Hladna zona
U praksi je hladna zona toplinski protupožarni prekid. Prvenstveno služi za sprječavanje putovanja topline od grijanog dijela (ispod linije tekućine) do električne priključne kutije. Toplina se provodi kroz PTFE plašt i sve unutarnje metalne dijelove. U slučaju nedovoljne duljine ili velike debljine hladne zone, zona terminala može biti opasno vruća, što može ugroziti cjelovitost izolacije žice i brtvila.

Sam PTFE omotač može izdržati samo maksimalnu kontinuiranu radnu temperaturu od oko 110 stupnjeva. Međutim, za održavanje brtvi i izolacije ožičenja područje terminala (gdje se nalaze električni priključci i brtveni materijali) idealno bi trebalo držati ispod 80 stupnjeva. Većina terminalnih brtvi je ocijenjena za 80-90 stupnjeva. Prelazak iznad ovog raspona povećava šanse za krtost i curenje.

Učinak duljine i debljine na temperaturu terminala
Što je dulja hladna zona, toplina mora prijeći veću udaljenost od grijanog dijela do terminala. PTFE materijal ima relativno slabu toplinsku vodljivost (~0,25 W/m·K) stoga veća duljina rezultira dužim toplinskim putem i stoga smanjenim temperaturnim gradijentom na krajnjem kraju. Isto tako, deblji zid hladne zone, što znači veći poprečni-presjek PTFE-a koji okružuje jezgru grijača, bolje raspršuje toplinu cijelom svojom duljinom prije nego što stigne do razvodne kutije.

Hladna zona dovoljno duga i debela: toplina iz tekućine ne puže do pregrijavanja terminala. Dodatna toplinska masa i udaljenost djeluju kao brana kako bi temperature terminala bile niske i unutar prihvatljivih granica.

Premalo hladna zona. Toplina brzo raste i temperatura terminala raste iznad 80C što može uništiti brtve, rastopiti izolaciju žice ili stvoriti opasnost od požara.

Kompromis-: Povećani gubitak topline putem kondukcije
Dulja ili deblja hladna zona štiti terminale, ali također prenosi više topline od grijanog dijela-energije koja se učinkovito gubi. Gubitak topline kroz hladnu zonu je kondukcijom. Direktno je proporcionalna površini poprečnog-presjeka (debljini) i obrnuto proporcionalna duljini. Matematički stopa gubitka topline je: Q=k*A*ΔT / L gdje je A poprečni presjek (u odnosu na debljinu), L je duljina, a ΔT je razlika u temperaturi između grijane zone i okolne razvodne kutije.

Dakle, povećanje duljine hladne zone prepolovilo bi konduktivni gubitak topline po jedinici duljine. Ali duža hladna zona također će povećati ukupnu površinu izloženu hladnijem okolnom zraku, dodajući određeni konvektivni gubitak. Udvostručenje debljine stijenke (popre-presjeka) udvostručuje gubitak vodljivosti za istu duljinu. To pokazuje da je gubitak topline debljine hladne zone PTFE grijača izravno proporcionalan debljini stijenke. Što je debljina stijenke veća, to se više energije gubi kroz veći vodljivi put.

Dulja hladna zona također uklanja više topline ukupno sa sučelja na grijanom području. Loša strana je da sve dulje od toga samo odvodi toplinu u okolni okoliš bez dodavanja dodatne zaštite terminala. Projektant mora odabrati minimalnu duljinu i debljinu koja zadovoljava kriterij sigurnosti, ali ne smanjuje učinkovitost grijača.

Parametri koji utječu na dizajn hladne zone
Postoji nekoliko kriterija specifičnih za primjenu koji utječu na optimalne dimenzije hladne zone:

Temperatura tekućine: više temperature kupke (npr. . 90-100 stupanj ) povećavaju temperaturni gradijent, zahtijevajući dužu ili deblju hladnu zonu kako bi terminali bili hladni.

Zatvoreni ili polu{0}}zatvoreni spremnici mogu se napuniti zagrijanom parom iznad tekućine, što smanjuje učinkovito hlađenje hladne zone. To često znači da se hladna zona mora protezati preko ruba spremnika.

Vrsta terminalne brtve: Neke brtve (npr. PTFE-inkapsulirani O-prstenovi ili specijalizirani elastomeri za visoke temperature) mogu izdržati do 120 stupnjeva u kratkim vremenskim razdobljima, iako je većina običnih brtvi niže ocijenjena. Za povećanu učinkovitost i kraću zonu hladnoće koriste se brtve-na višoj temperaturi.

Dobro ventilirana kutija ili prisilno hlađenje zrakom omogućit će znatno manju zonu hladnoće. Ambijentalni uvjeti na razvodnoj kutiji.

U kupkama s visokom temperaturom (preko 90 stupnjeva) hladna zona može se fizički proširiti izvan ruba spremnika ili čak vodoravno saviti kako bi se ponudila dodatna duljina bez povećanja okomitog otiska. Ova metoda hladi krajnju regiju i smanjuje količinu otpadne topline koja se izbacuje preko površine hladne zone.

Praktične smjernice za dizajn
Hladna zona nije nezagrijani dio, već dobro izračunati toplinski međuspremnik. Veličina je važan element u toplinskom dizajnu grijača. Za temperature kupke od oko 80 stupnjeva duljina hladne zone trebala bi biti 100 – 150 mm ili više. Grijalice s debljim stijenkama trebaju kraće duljine jer imaju manji toplinski otpor? Ali zapravo deblji zidovi povećavaju protok topline, pa su vam potrebne veće duljine da to kompenzirate. Drugim riječima, za danu ciljnu temperaturu terminala, povećanje debljine stijenke zahtijeva povećanje duljine kako bi se izbjegao veći gubitak topline.

Međutim, ako se hladna zona produži predugo, grijač postaje neučinkovit budući da se velik dio ulazne snage prenosi prema gore i gubi u okolini umjesto da se preda tekućini. Hladna zona koja je previše proširena može smanjiti učinkovitost za 5-15%. Dobar toplinski inženjering kontrolira neželjeni protok topline kao i namjeravani protok topline. Idealan dizajn je kompromis između sigurnosti terminala (temperatura terminala<80°C) and minimum energy wastage. This is done by choosing the minimum cold zone length and wall thickness that can reliably keep terminal temperatures within spec under the worst-case operating conditions.

Zaključak:
Učinci debljine i duljine hladne zone PTFE-a na učinak grijača su suprotni. Povećana duljina ili debljina hladne zone osigurava duži toplinski kanal ili veći hladnjak radi očuvanja električnih spojeva i brtvila smanjenjem temperature terminala. Ali ovi pristupi povećavaju gubitak vodljive topline u razvodnu kutiju i okolni okoliš, energiju koja ne doprinosi zagrijavanju tekućine. Dodatna duljina iznad potrebne duljine samo odvodi toplinu bez dodatne prednosti. Prekomjerna debljina izravan je množitelj izgubljene snage. Stoga hladna zona nije samo nezagrijani dio, već namjerni toplinski međuspremnik, čiji se omjeri moraju optimizirati za svaku primjenu. Dobar toplinski dizajn prepoznaje da je stvaranje željene topline jednako vitalno kao i kontrola neželjenog protoka topline.