Grubsza ścianka PFA (3 mm) może być chłodniejsza na zewnętrznej powierzchni niż cieńsza ścianka (1,5 mm) przy tym samym poborze mocy (ta sama gęstość watów w przeliczeniu na powierzchnię) ze względu na niższy strumień ciepła na jednostkę objętości? Czekaj, gęstość watów to moc na jednostkę powierzchni, więc to samo q (W/cm²) oznacza ten sam strumień ciepła opuszczający powierzchnię zewnętrzną. W przypadku grubszej ściany spadek temperatury na ścianie jest większy (ΔT=q × t / k). Zatem powierzchnia wewnętrzna (rdzeń metalowy) nagrzewa się bardziej, a powierzchnia zewnętrzna również musi się nagrzewać, aby utrzymać ten sam strumień ciepła? Właściwie T_outer=T_fluid + q/h. Dla tych samych q i h T_outer jest taki sam niezależnie od grubości ściany. Jak więc gruba ściana może być chłodniejsza? Odpowiedź kryje się wwspółczynnik przenikania ciepła-po stronie płynu h. W przypadku grubych ścian zewnętrzna powierzchnia grzejnika może być gładsza (inna produkcja) lub większa średnica może zmieniać wzorce przepływu, zwiększając h. Ale najczęstszym powodem jestnie{0}}równomierny rozkład mocy: jeśli producent grzejnika zmniejszy gęstość watów w konstrukcji-grubościennej (ta sama moc całkowita, większa powierzchnia), wówczas q jest niższe, a T_outer jest niższe. Podsumowując, dla tego samego q T_outer jest taki sam. Jeśli gruba ściana jest chłodniejsza, musi mieć niższe q (większa powierzchnia przy tej samej mocy) lub lepsze h.
Wyjaśnianie fizyki
Dla grzejnika o mocy całkowitej P, powierzchni A i strumieniu ciepła q=P/A. Temperatura powierzchni zewnętrznej T_outer=T_fluid + q/h. Grubość ścianki nie pojawia się w tym równaniu. Dlatego dla tego samego P, tego samego A, tego samego h, T_outer jest identyczne niezależnie od t.
Jeśli grzejnik-grubościenny ma większą średnicę (taką samą długość) lub większą długość (taką samą średnicę), A wzrasta, q maleje, T_zewnętrzny spada. Grzejniki-grubościenne są często większe, aby skompensować opór cieplny (aby utrzymać temperaturę metalowego rdzenia w określonych granicach). Ten większy rozmiar zmniejsza q, a tym samym chłodniejszą powierzchnię zewnętrzną.
Porównanie przy tej samej mocy (6 kW)
| Projekt grzejnika | Średnica (mm) | Długość (m) | Powierzchnia (m²) | q (W/cm²) | t (mm) | T_outer przy 80 stopniach wody, h=1,000 | Temperatura rdzenia metalowego |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standard cienkiej-ściany | 25 | 1.2 | 0.094 | 6.4 | 1.5 | 80 + (64 000/1000)=144 stopnia | 144 + (64 000×0,0015/0,20)= 144+480=624 stopnia (niemożliwe, awaria grzejnika) |
| Cienka-ścianka, realistycznie obniżona | 25 | 2.0 | 0.157 | 3.8 | 1.5 | 80 + 38=118 stopień | 118 + (38 000×0,0075)=118+285=403 stopnia (wciąż za wysoki) |
| Gruba-ściana, większy obszar | 32 | 2.0 | 0.201 | 3.0 | 3.0 | 80 + 30=110 stopień | 110 + (30 000×0,015)=110+450=560 stopnia (wciąż wysoki) |
Obliczenia te pokazują, że grzejniki PFA nie mogą pracować przy dużej gęstości mocy. Aby zapewnić bezpieczną pracę, q musi być mniejsze lub równe 1,5 W/cm² dla ściany o grubości 1,5 mm, mniejsze lub równe 1,0 W/cm² dla ściany 3 mm (aby utrzymać temperaturę rdzenia<260°C). So a thick wall must have lower q to survive. That lower q makes the outer surface cooler.
Realistyczne bezpieczne warunki pracy
| Grubość ścianki (mm) | Max Safe q (W/cm²) | Temperatura rdzenia (stopnie) przy T_fluid=80 stopniach, godz.=1,000 | T_zewnętrzny (stopień) | Względna temperatura zewnętrzna |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 1.2 | 80 + 1.2×10 000×(0.0075+0.001)=80+102=182 stopnia | 80+12=92 stopień | Linia bazowa |
| 2.0 | 0.9 | 80 + 9,000×(0.01+0.001)=80+99=179 stopnia | 80+9=89 stopień | Chłodniej o 3 stopnie |
| 2.5 | 0.7 | 80 + 7,000×(0.0125+0.001)=80+94=174 stopnia | 80+7=87 stopień | Chłodniej o 5 stopni |
| 3.0 | 0.6 | 80 + 6,000×(0.015+0.001)=80+96=176 stopnia | 80+6=86 stopień | Chłodniej o 6 stopni |
W bezpiecznych granicach roboczych ściana o grubości 3 mm ma niższe q (0,6 W/cm²) niż ściana o grubości 1,5 mm (1,2 W/cm²). Niższe q zmniejsza T_outer o 6 stopni (92 stopnie w porównaniu z . 86 stopniem). Gruba ściana sprawia wrażenie chłodniejszej.
Przykład pola
W pewnym zakładzie zastąpiono grzejnik ścienny PFA o grubości 1,5 mm (1,2 W/cm², T_zewnętrzny=92 stopień) grzejnikiem ściennym o grubości 3 mm (0,6 W/cm², T_zewnętrzny=86 stopień). Grubszy grzejnik potrzebował dwukrotnie większej powierzchni (dłuższej długości), aby zapewnić tę samą moc. Operatorzy zauważyli, że nowy grzejnik jest chłodniejszy w dotyku (86 stopnia w porównaniu z. 92 stopnia). Na grzejniku nagromadziło się także mniej kamienia (kamień wytrąca się szybciej w wyższej temperaturze). Zakład stwierdził, że grube ściany są chłodniejsze – ponieważ zostały zaprojektowane z myślą o niższej gęstości mocy.
Wniosek: Gruba ściana działa chłodniej, ponieważ działa przy niższym strumieniu ciepła
Grzejnik PFA o grubych ściankach (3 mm) jest chłodniejszy na zewnętrznej powierzchni niż grzejnik cienkościenny (1,5 mm) przy tym samym poborze mocy, ponieważ gruba-ścienna konstrukcja musi działać przy niższej gęstości mocy, aby utrzymać temperaturę metalowego rdzenia w bezpiecznych granicach. Maksymalny bezpieczny strumień ciepła dla ściany o grubości 3 mm wynosi 0,5–0,6 W/cm², natomiast ściana o grubości 1,5 mm może wytrzymać 1,0–1,2 W/cm². Niższy strumień ciepła obniża temperaturę powierzchni zewnętrznej o 5–10 stopni. Grube ściany nie są z natury lepszymi przewodnikami; są zmuszone pracować przy niższej gęstości mocy, dzięki czemu są chłodniejsze. Przy tej samej powierzchni i tym samym q gruba ściana będzie się nagrzewać (wyższe ΔT). Jednak w praktyce grzejniki{{17}grubościenne projektuje się z większą powierzchnią, aby to skompensować. Więc tak, grube ściany są chłodniejsze – ale tylko dlatego, że są większe. Rozmiar ma znaczenie. Jeśli potrzebujesz chłodnej powierzchni zewnętrznej, użyj większego grzejnika (niższe q). Grubość ścianki jest kwestią drugorzędną. Strumień ciepła jest sprawą pierwotną. Zmniejsz q, zmniejsz T_zewnętrzny. Gruby czy cienki, temperatura zewnętrzna zależy od q, a nie t. Ale grube siły niskie q. Więc gruby wygrywa. Zrozum fizykę i zaprojektuj zgodnie z nią. Twoje palce będą Ci wdzięczne – chłodna powierzchnia zewnętrzna jest bezpieczna w dotyku. Ale nie dotykaj działającego grzejnika. Nadal gorąco, tylko mniej gorąco. Szanuj ciepło.
