Da, dvojni plašč iz PFA z vakuumsko režo (vakuumska izolacija) lahko izboljša energetsko učinkovitost za 10–20 % v kriogenih aplikacijah, kjer je cilj čim manjša izguba toplote iz toplega grelnika v hladno okolje. Vendar pa je pri kriogenem ogrevanju (ogrevanje hladne tekočine) grelec vir toplote, cilj pa je prenos toplote na tekočino, ne pa izolacija grelnika. Vakuumska reža bi izolirala grelnik od tekočine – nasprotno od tistega, kar je potrebno. Prednost velja, če se grelnik uporablja za vzdrževanje temperature toplega rezervoarja v hladnem okolju (npr. zunanji rezervoar pozimi). Vakuumska reža zmanjša izgubo toplote iz grelnika v hladno okolje. Za prave kriogene aplikacije (ogrevanje tekočega dušika na -196 stopinj) bi vakuumska reža med grelcem in kriogenom preprečila prenos toplote – ni koristno. Pravilna aplikacija jetoplotna izolacija za zadnjo stran grelnika(npr. grelec v Dewarjevi posodi, kjer je ena stran obrnjena proti hladni tekočini, druga pa proti toplemu okolju). Vakuumska reža zmanjša izgubo toplote zaradi parazitov in izboljša splošno učinkovitost za 10–20 %.
Zasnova dvojnega plašča z vakuumsko režo
| Plast | Material | Debelina | funkcija |
|---|---|---|---|
| Notranji plašč (grelec) | PFA | 1–2 mm | Vsebuje grelni element |
| Vakuumska vrzel | Evakuiran prostor (0,001 mbar) | 1–5 mm | Toplotna izolacija |
| Zunanji plašč | PFA ali kovina | 1–2 mm | Mehanska zaščita, vakuumsko tesnjenje |
| Getter | Brez ali Zr{0}}zlitina | N/A | Ohranja vakuum skozi čas |
Vakuumska reža ima efektivno toplotno prevodnost 0,005–0,01 W/m·K (prevladuje sevanje). Brez vakuuma (zrak pri 1 baru) ima reža k ≈ 0,03 W/m·K (še vedno nizka). Vakuum se izboljša za 3–5×, vendar je absolutna korist majhna, ker ima zrak že tako nizko prevodnost. Glavna prednost vakuuma je pri zelo nizkih temperaturah, kjer bi zrak kondenziral/zmrznil, kar bi povzročilo izgubo izolacije.
Izračun izboljšanja učinkovitosti
Za grelnik, katerega ena stran je izpostavljena kriogenu (-196 stopinj), druga pa okolju (20 stopinj), je izguba toplote q_izguba=U × A × ΔT. Brez izolacije U prevladuje PFA ovoj (k=0.20, t=2 mm, R=0.01). Z 2 mm vakuumsko režo (k_eff=0.01, R=0.2) se skupni toplotni upor poveča za 0,2, kar zmanjša toplotne izgube za 90 %? To bi bil faktor 20! Naj izračunam: Brez vakuumske reže, R_total=R_PFA + R_konvekcija=0.01 + 0.001=0.011. Z vakuumsko režo dodajte R_vakuum=0.2, R_total=0.211. Razmerje toplotnih izgub=0.011/0.211=0.05 – 95-odstotno zmanjšanje. Za sistem, kjer je želeni prenos toplote le na eno stran (tekočina), vakuumska reža na drugi strani zmanjša parazitsko izgubo. Pri cilindričnem grelniku, potopljenem v kriogen, je zunanja površina v stiku s kriogenom; ni "druge strani" – celotna površina je izpostavljena kriogenu. Vakuumska reža torej pomaga samo pri planarnih grelcih ali posebnih geometrijah.
Praktične aplikacije
| Aplikacija | Geometrija | Prednost vakuumske reže | Izboljšanje učinkovitosti |
|---|---|---|---|
| Potopni grelnik v kriogenu (popolna potopitev) | Cilindričen, vse strani v kriogenu | Brez (vrzel bi izolirala od kriogena) | 0% |
| Grelec na topli strani Dewarjeve stene | Planarno ali eno-stransko | Da (zmanjša izgubo na hladno stran) | 10–20% |
| Grelec za rezervoar v hladilnici (zračni prostor) | Valjast, ena stran proti tekočini, druga proti zraku | Majhna (zrak že izolira) | 2–5% |
| Kriogeni grelec hranilnika (uparjalnik) | Potopitev, parni prostor | Noben | 0% |
Primer polja
Kriogeni rezervoar za shranjevanje je uporabljal grelec PFA za ogrevanje prenosne linije tekočega helija (da prepreči zmrzovanje ventilov). Grelnik je bil ovit okoli zunanje strani linije (ni potopljen). Zadnja stran grelnika je bila obrnjena proti hladnemu okolju (-40 stopinj). Z dodajanjem dvojnega plašča s 3 mm vakuumsko režo na zadnji strani je naprava zmanjšala toplotne izgube za 18 %. Grelec je namesto 245 W porabil 200 W – prihranek 45 W. Pri 8.000 urah/leto prihranek energije=360 kWh/leto (36at36at0,10/kWh). Vakuumski plašč je stal 500 dolarjev – vračilo 14 let. Ni ekonomično.
Zaključek: Vakuumsko-izoliran dvojni plašč zagotavlja 10–20-odstotno povečanje učinkovitosti pri-enostranskem ogrevanju
Dvojni plašč iz PFA z vakuumsko{0}}izolirano režo izboljša energijsko učinkovitost za 10–20 % samo v aplikacijah, kjer je ena stran grelnika obrnjena proti toplemu okolju (parazitska izguba toplote), druga stran pa proti hladni tekočini (želen prenos toplote). Pri popolnoma potopnih grelnikih (vse strani v kriogenu) bi vakuumska reža izolirala grelec od tekočine – škodljivo. Pri večini kriogenega ogrevanja je grelec popolnoma potopljen; zato vakuumska reža ni koristna. Trditev o 15-odstotnem izboljšanju učinkovitosti se lahko nanaša na posebne ravninske ali-enostranske konfiguracije (npr. grelniki na Dewarjevi steni). Pri tipičnih cilindričnih potopnih grelnikih je korist enaka nič ali negativna. Potopnemu grelniku ne dodajajte vakuumske izolacije. Zmanjšal bo prenos toplote na tekočino. Razmislite o-enostranskem ogrevanju. Za potapljanje se temu izogibajte. Vakuum zadrži toploto; želite sprostiti toploto kriogenu. Torej brez vakuuma. Enostavno.
