Въпросът за конвекцията
Съоръжение за химическа обработка работи с PTFE нагревателни плочи при 1,2 W/cm² с естествена конвекция. Плочите работят при 85 градуса, а температурата на повърхността е 105-110 градуса - близо до работната граница на PTFE. Друго съоръжение с принудителна циркулация през повърхността на плочата постига същата температура на банята при 1,6 W/cm² със същата повърхностна температура. Принудителната конвекция отвежда топлината по-ефективно, позволявайки по-висока плътност на мощността, без да надвишава топлинната граница на PTFE.
Активната течна принудителна конвекция значително увеличава постижимата плътност на мощността. Коефициентът на топлопреминаване с принудителен поток е 2-5 пъти по-висок от естествената конвекция, което позволява повече мощност на единица площ.
Разликата в коефициента на конвекция
Естествената конвекция разчита на поток,-задвижван от плаваемост. Коефициентът на топлопреминаване обикновено е 300-600 W/m²K. Принудителната конвекция-изпомпване или разбъркване създава скорости на потока от 0,2-1,0 m/s, увеличавайки коефициента на топлопреминаване до 800-2500 W/m²K. По-високият коефициент означава, че същата входяща мощност води до по-ниска повърхностна температура на PTFE или по-високата входяща мощност води до същата повърхностна температура.
Връзката е линейна. 2 пъти увеличение на коефициента на топлопреминаване позволява приблизително 2 пъти по-голяма плътност на мощността за същото повишаване на повърхностната температура.
| Тип поток | Скорост на потока | Коефициент на топлопреминаване | Достижима плътност на мощността (85 градуса баня) | PTFE температура на повърхността |
|---|---|---|---|---|
| Естествена конвекция | <0.05 m/s | 300-600 W/m²K | 0,8-1,2 W/cm² | 100-115 градуса |
| Нежно разбъркване | 0.1-0.3 m/s | 600-1,000 W/m²K | 1,2-1,8 W/cm² | 100-115 градуса |
| Умерен принудителен поток | 0.3-0.6 m/s | 1,000-1,600 W/m²K | 1,6-2,5 W/cm² | 100-115 градуса |
| Висок принудителен поток | 0.6-1.0 m/s | 1,600-2,500 W/m²K | 2,0-3,5 W/cm² | 100-115 градуса |
Термично ограничение
PTFE има практическа непрекъсната работна температура от приблизително 110-115 градуса при интерфейса на елемента. Температурата на повърхността обикновено е 15-30 градуса над температурата на банята, в зависимост от дебелината на стената и плътността на мощността. При по-висока плътност на мощността температурата на повърхността се повишава, доближавайки границата на PTFE. Принудителната конвекция намалява температурната разлика между повърхността и ваната, позволявайки по-висока плътност на мощността за същата повърхностна температура.
Последици от дизайна за нови инсталации
Системите с естествена конвекция изискват по-ниска плътност на вата (0,8-1,2 W/cm²) с по-големи, по-скъпи плочи. Системите с принудителна конвекция позволяват по-висока плътност на вата (1,6-2,5 W/cm²) с по-малки плочи с по-ниска цена, но изискват помпи или оборудване за разбъркване. Плоча от 1,8 W/cm² е приблизително 40% по-малка от плоча от 1,2 W/cm² за същата обща мощност. По-малката плоча струва 15-25% по-малко, но изисква помпа, добавяща $1000-3000 на резервоар и текущи разходи за електроенергия. Периодът на изплащане на принудителната конвекция зависи от броя на плочите и цената на електроенергията.
Разположение на помпата и дизайн на потока
Директният удар на плочата с дюзи осигурява най-висока скорост и най-добър топлопренос, но може да причини вибрации на плочата. Конструкцията на кръстосан-поток върви успоредно на повърхността на плочата, осигурявайки умерена скорост с по-малко вибрации. Потокът, задвижван от-бъркалката, създава обемно движение с по-ниска, но по-равномерна скорост на повърхността на плочата. За повечето инсталации 0,3-0,5 m/s е достатъчно за оптимален пренос на топлина – допълнителната скорост осигурява намаляваща възвръщаемост.
Практическа реализация и икономика
Добавянето на циркулационна помпа към съществуващите системи с естествена конвекция може да увеличи преноса на топлина с 60-100%. Съоръжение с 12 резервоара добави помпи с нисък-поток и увеличи изходната мощност от 1,0 W/cm² на 1,5 W/cm² при същата повърхностна температура. Времето-за загряване намаля с 25% и съоръжението отложи планираната подмяна на плочата с 3 години. Цената на помпата беше 2500 долара на резервоар, възстановени чрез удължен живот на плочата и спестяване на енергия в рамките на 18 месеца. За нови инсталации с висока-мощност принудителната конвекция трябва да бъде по подразбиране-по-малкият размер на плочата и намалените капиталови разходи често оправдават инвестицията в помпата. За резервоари с-ограничено пространство принудителната конвекция е от съществено значение, тъй като по-малките плочи са единствената опция за монтиране на необходимата мощност в ограничено пространство. Измерването на температурата на повърхността чрез термодвойка или термично изображение потвърждава ползата - съоръжение за измерване на температурата на повърхността установи, че естествената конвекция показва 112 градуса при 1,2 W/cm², докато принудителната конвекция (0,4 m/s) дава 98 градуса при същата плътност на мощността. След това те се увеличиха до 1,8 W/cm², постигайки повърхностна температура от 112 градуса с 50% повече мощност от същата площ на плочата. Помпата се изплати в рамките на 8 месеца чрез намалени разходи за подмяна на пластини и енергия.
