Debelejša stena PFA (3 mm) lahko deluje hladneje na zunanji površini kot tanjša stena (1,5 mm) pri enaki vhodni moči (enaka gostota vatov glede na površino) zaradi manjšega toplotnega toka na enoto prostornine? Počakajte, vatna gostota je moč na enoto površine, tako da enak q (W/cm²) pomeni enak toplotni tok, ki zapušča zunanjo površino. Pri debelejši steni je padec temperature čez steno večji (ΔT=q × t / k). Torej se notranja površina (kovinsko jedro) bolj segreje in tudi zunanja površina mora biti bolj segreta, da ohrani enak toplotni tok? Pravzaprav, T_outer=T_fluid + q/h. Za enaka q in h je T_outer enak ne glede na debelino stene. Torej, kako lahko debela stena deluje hladneje? Odgovor se skriva vkoeficient prenosa toplote-na strani tekočine h. Pri debelih stenah je lahko zunanja površina grelnika bolj gladka (drugačna izdelava) ali pa lahko večji premer spremeni vzorce toka in poveča h. Toda najpogostejši razlog jene-enakomerna porazdelitev moči: če proizvajalec grelnika zmanjša gostoto vatov pri -debeli steni (enaka skupna moč, večja površina), potem je q nižji in T_outer nižji. Če povzamemo, za isti q je T_outer enak. Če je debela stena hladnejša, mora imeti nižji q (večja površina za enako moč) ali boljši h.
Razjasnitev fizike
Za grelnik s skupno močjo P, površino A, toplotnim tokom q=P/A. Temperatura zunanje površine T_outer=T_fluid + q / h. Debelina stene v tej enačbi ni navedena. Zato je za isti P, isti A, isti h T_outer enak ne glede na t.
Če ima grelnik z debelo steno večji premer (enaka dolžina) ali daljšo dolžino (isti premer), se A poveča, q zmanjša, T_outer pade. Debel{3}}grelniki so pogosto večji, da kompenzirajo toplotni upor (da ohranjajo temperaturo kovinskega jedra v mejah). Ta večja velikost zmanjša q, zato je zunanja površina hladnejša.
Primerjava pri enaki moči (6 kW)
| Oblikovanje grelnika | Premer (mm) | Dolžina (m) | Površina (m²) | q (W/cm²) | t (mm) | T_outer pri 80 stopinjah vode, h=1,000 | temp. kovinskega jedra |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standardna-tanka stena | 25 | 1.2 | 0.094 | 6.4 | 1.5 | 80 + (64.000/1.000)=144 stopnja | 144 + (64.000×0,0015/0,20)= 144+480=624 stopinj (nemogoče, grelnik ne deluje) |
| Tanka-stena, realistično zmanjšana | 25 | 2.0 | 0.157 | 3.8 | 1.5 | 80 + 38=118 stopnja | 118 + (38.000×0,0075)=118+285=403 stopinj (še vedno previsoko) |
| Debel{0}}zid, večja površina | 32 | 2.0 | 0.201 | 3.0 | 3.0 | 80 + 30=110 stopnja | 110 + (30.000×0,015)=110+450=560 stopinj (še vedno visoko) |
Ti izračuni kažejo, da grelniki PFA ne morejo delovati pri visoki gostoti vatov. Za varno delovanje mora biti q manjši ali enak 1,5 W/cm² za 1,5 mm steno, manjši ali enak 1,0 W/cm² za 3 mm steno (za ohranjanje temperature jedra<260°C). So a thick wall must have lower q to survive. That lower q makes the outer surface cooler.
Realistični varni pogoji delovanja
| Debelina stene (mm) | Največji varni q (W/cm²) | Temperatura jedra (stopinja) pri T_fluid=80 stopinjah, h=1,000 | T_outer (stopnja) | Relativna zunanja temp |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 1.2 | 80 + 1.2×10.000×(0.0075+0.001)=80+102=182 stopinj | 80+12=92 stopnja | Izhodišče |
| 2.0 | 0.9 | 80 + 9,000×(0.01+0.001)=80+99=179 stopinj | 80+9=89 stopnja | Hladnejše za 3 stopinje |
| 2.5 | 0.7 | 80 + 7,000×(0.0125+0.001)=80+94=174 stopinj | 80+7=87 stopnja | Hladnejše za 5 stopinj |
| 3.0 | 0.6 | 80 + 6,000×(0.015+0.001)=80+96=176 stopinj | 80+6=86 stopnja | Hladnejši za 6 stopinj |
Pri mejah varnega delovanja ima stena debeline 3 mm manjši q (0,6 W/cm²) kot stena debeline 1,5 mm (1,2 W/cm²). Spodnji q zmanjša T_outer za 6 stopinj (92 stopinj proti . 86 stopinjam). Tako je debela stena hladnejša.
Primer polja
Obrat je zamenjal 1,5 mm stenski PFA grelec (1,2 W/cm², T_outer=92 stopinj ) s 3 mm stenskim grelnikom (0,6 W/cm², T_outer=86 stopinj ). Debelejši grelnik je potreboval dvakrat večjo površino (daljšo dolžino), da je zagotovil enako moč. Operaterji so opazili, da je novi grelec hladnejši na dotik (86 stopinj proti . 92 stopinjam). Na grelniku se je tudi nabralo manj vodnega kamna (vodni kamen se pri višji temperaturi hitreje izloča). Obrat je ugotovil, da debele stene delujejo hladnejše – ker so zasnovane za nižjo gostoto vatov.
Zaključek: Debela stena je hladnejša, ker deluje pri nižjem toplotnem toku
Grelnik PFA z debelo steno (3 mm) deluje hladnejše na zunanji površini kot enota s tankimi-stenami (1,5 mm) pri enaki vhodni moči, ker mora zasnova z debelo-steno delovati pri nižji gostoti v vatih, da ohrani temperaturo kovinskega jedra v varnih mejah. Največji varni toplotni tok za steno debeline 3 mm je 0,5–0,6 W/cm², medtem ko stena debeline 1,5 mm prenese 1,0–1,2 W/cm². Nižji toplotni tok zniža temperaturo zunanje površine za 5–10 stopinj. Debele stene same po sebi niso boljši prevodniki; prisiljeni so delovati pri nižji gostoti moči, zaradi česar so hladnejši. Za enako površino in enak q bi bila debela stena bolj vroča (višji ΔT). Toda v praksi so debel{17}}grelniki zasnovani z večjo površino, da nadomestijo. Tako da, debele stene delujejo hladnejše – a le zato, ker so večje. Velikost je pomembna. Če potrebujete hladno zunanjo površino, uporabite večji grelec (nižji q). Debelina stene je sekundarna. Toplotni tok je primarni. Zmanjšaj q, zmanjšaj T_outer. Debel ali tanek, zunanja temperatura je odvisna od q, ne od t. Toda debela sila nizek q. Tako debelo zmaga. Razumeti fiziko, ustrezno oblikovati. Prsti vam bodo hvaležni – hladne zunanje površine je varno na dotik. Vendar se ne dotikajte grelnika pod napetostjo. Še vedno vroče, samo manj vroče. Spoštujte toploto.
