Како топлота путује од елемента кроз ПТФЕ до течности?

Замислите ПТФЕ урањајући грејач који ради испод површине хемијске купке. Метални отпорни елемент у склопу мења електричну енергију у топлоту. Унутрашњи део се може прилично загрејати, али спољни ПТФЕ омотач остаје јак и стабилан. Нема видљивог пламена и покрета било које врсте. Али течност око њега полако постаје топлија. Има смисла запитати се како се топлотна енергија креће из чврстог у течност.

Решење се налази у начину на који проводљивост, конвекција и зрачење раде заједно да померају топлоту. У ПТФЕ потопном грејачу, ови механизми раде заједно дуж постављене термичке путање, а свака фаза доприноси укупним перформансама.


Како склоп грејача проводи струју
Отпорна жица је место где почиње процес преноса топлоте. Отпорно загревање повећава температуру елемента када струја пролази кроз њега. Збијени изолациони слој, обично магнезијум оксид или слична комбинација керамике, окружује елемент. Овај материјал ради две ствари: држи проводник под напоном одвојеним од спољашњег омотача и одводи топлоту од проводника.

Овај материјал се назива "изолација" у електричном смислу, али је дизајниран да има добру топлотну проводљивост. Енергија се креће од молекула више-енергије у врућој отпорној жици до оближњих честица у изолационом медијуму, што је начин на који проводљивост функционише. Градијент температуре покреће овај процес, што значи да се топлота креће од топлијих до хладнијих подручја.

Овај слој има одређену топлотну отпорност, али је сведена на минимум пажљивим одабиром материјала и густим сабијањем. Ова унутрашња изолација брзо проводи топлоту до омотача уместо да дозволи да се превише накупи на површини елемента.

Проводљивост кроз ПТФЕ поклопац
Топлота долази до унутрашњости ПТФЕ омотача након што прође кроз унутрашњу изолацију. Од овог тренутка, провод кроз чврсти полимерни зид је оно што контролише ствари.

Молекуларне вибрације и пренос енергије између суседних честица су оно што узрокује проводљивост у материјалима. ПТФЕ не проводи топлоту тако добро као метали, али ипак добро функционише за пренос топлоте када је дебљина зида одговарајућа. Једно типично правило у инжењерству је да топлотни отпор расте како дебљина расте. Због тога ПТФЕ потопни грејачи имају зидове омотача који нису много дебели, што чини отпор проводљивости мањим.

Разлика у температури преко ПТФЕ зида избацује топлоту. Унутрашња површина, која је у контакту са загрејаним унутрашњим склопом, топлија је од спољашње површине која је у контакту са течношћу. Овај диференцијал одржава топлоту да тече све време. У пракси је важно да ПТФЕ зид буде танак тако да може да заштити од хемикалија и да ипак омогући добар пренос топлоте.

У овом тренутку, проводљивост је и даље најчешћи начин кретања топлоте. Топлотни отпор ПТФЕ слоја постаје константа у прорачуну за пренос топлоте у целини.

Конвекција на граници течности
Када топлота дође до спољашњости ПТФЕ омотача, начин на који ради се мења од проводљивости у чврстом стању до конвекције у течности. Конвекција је пренос топлоте између чврсте површине и флуида који се креће. То се дешава због разлике у температури и кретању течности.

Када молекули течности додирују површину грејача, они узимају топлоту и постају топлији. Како постају топлији, њихова густина се мало смањује, што их чини да расту у природним конвекцијским струјама. Затим хладнија течност заузима своје место на површини, а процес размене топлоте се наставља.

У многим индустријским резервоарима, присилна конвекција чини овај процес бољим. Системи пумпања, мешања или циркулације чине да се течност брже креће поред грејне површине. Фаза конвекције је обично најспорији део ланца преноса топлоте у стварном животу. Топлотни отпор граничног слоја течности који се не креће много близу површине може успорити пренос топлоте у целини.

Бољи проток флуида чини гранични слој тањим, а коефицијент преноса топлоте конвекцијом виши. Боља циркулација може значајно побољшати ефикасност грејања без повећања количине електричне енергије.

Зрачење као мали фактор у течностима
Зрачење је трећи начин на који се топлота може кретати. То има везе са температуром која изазива појаву електромагнетних таласа. Топлотно зрачење долази од свих тела која су изнад апсолутне нуле.

Зрачење не игра велику улогу у апликацијама за грејање потапањем где је грејач у течности. Течности обично апсорбују и брзо ослобађају енергију зрачења. Мала удаљеност између површине омотача и течности поред ње ограничава количину зрачења која се може додати.

Када грејач ради у ваздуху или гасу уместо течности, зрачење постаје важније. У овим ситуацијама, део преноса топлоте се дешава зрачењем између површине грејача и површина око ње. У потопљеним ПТФЕ грејачима, проводљивост и конвекција су најважније ствари које се дешавају.

Топлотна отпорност и перформансе система заједно
Целокупни пут преноса топлоте ПТФЕ урањајућег грејача може се посматрати као низ топлотних отпора: провођење кроз изолацију, провођење кроз ПТФЕ омотач и конвекција у течност. У потопљеним условима, зрачење има врло мали ефекат.

Укупна брзина преноса топлоте зависи од тога колики су ови отпори. Чак и ако има довољно струје, јак топлотни отпор у било ком тренутку може отежати ефикасну дистрибуцију топлоте. На пример, дебео омотач чини отпор проводљивости већом, а лоша покретљивост течности чини отпорност на конвекцију већом.

Сва три начина на које се топлота може кретати раде заједно на премештању енергије из унутрашњег елемента у течност. Кондукција проводи топлоту кроз чврсте ствари, конвекција је шири кроз течност, а зрачење додаје још један начин протока топлоте.

Овај интегрисани процес јасно даје до знања зашто перформансе урањајућег грејача толико зависе од површине, дебљине омотача и услова протока. Једном када сазнамо како се топлота креће, јасно је да је одабир праве електричне снаге једнако критичан као и оптимизација облика и динамике флуида.