Una paret de PFA més gruixuda (3 mm) pot funcionar més freda a la superfície exterior que una paret més prima (1,5 mm) amb la mateixa potència d'entrada (la mateixa densitat de watts segons la superfície) a causa del menor flux de calor per unitat de volum? Espera, la densitat de watts és la potència per unitat de superfície, de manera que el mateix q (W/cm²) significa el mateix flux de calor que surt de la superfície exterior. Per a una paret més gruixuda, la caiguda de temperatura a través de la paret és més gran (ΔT=q × t / k). Així, la superfície interior (nucli metàl·lic) s'escalfa més i la superfície exterior també ha d'estar més calenta per mantenir el mateix flux de calor? De fet, T_exterior=T_fluid + q/h. Per als mateixos q i h, T_outer és el mateix independentment del gruix de la paret. Llavors, com es pot refredar una paret gruixuda? La resposta rau en elcoeficient de transferència de calor del costat del fluid-h. Per a una paret gruixuda, la superfície exterior de l'escalfador pot ser més llisa (fabricació diferent), o el diàmetre més gran pot alterar els patrons de flux, augmentant h. Però el motiu més comú ésdistribució d'energia no-uniforme: si el fabricant de l'escalfador redueix la densitat de watts en el disseny de-paret gruixuda (la mateixa potència total, àrea de superfície més gran), aleshores q és menor i T_exterior és menor. En resum, per a la mateixa q, T_outer és el mateix. Si una paret gruixuda és més freda, ha de tenir una q menor (una superfície més gran per a la mateixa potència) o una h millor.
Aclariment de la Física
Per a un escalfador amb potència total P, àrea de superfície A, flux de calor q=P/A. La temperatura de la superfície exterior T_exterior=T_fluid + q/h. El gruix de la paret no apareix en aquesta equació. Per tant, per a la mateixa P, la mateixa A, la mateixa h, T_outer és idèntica independentment de t.
Si un escalfador-de paret gruixuda té un diàmetre més gran (mateixa longitud) o més llarg (mateix diàmetre), A augmenta, q disminueix, T_exterior cau. Els escalfadors de-paret gruixuda solen ser més grans per compensar la resistència tèrmica (per mantenir la temperatura del nucli metàl·lic dins dels límits). Aquesta mida més gran redueix q, per tant una superfície exterior més fresca.
Comparació a la mateixa potència (6 kW)
| Disseny d'escalfadors | Diàmetre (mm) | Longitud (m) | Superfície (m²) | q (W/cm²) | t (mm) | T_exterior a 80 graus d'aigua, h=1.000 | Temperatura del nucli metàl·lic |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Estàndard de-paret fina | 25 | 1.2 | 0.094 | 6.4 | 1.5 | 80 + (64.000/1.000)=144 grau | 144 + (64.000×0,0015/0,20)= 144+480=624 grau (impossible, l'escalfador falla) |
| Paret-prima, realista reduïda | 25 | 2.0 | 0.157 | 3.8 | 1.5 | 80 + 38=118 grau | 118 + (38.000×0,0075)=118+285=403 grau (encara massa alt) |
| Paret-gruixuda, àrea més gran | 32 | 2.0 | 0.201 | 3.0 | 3.0 | 80 + 30=110 grau | 110 + (30.000×0,015)=110+450=560 grau (encara alt) |
Aquests càlculs mostren que els escalfadors de PFA no poden funcionar a alta densitat de watts. Per a un funcionament segur, q ha de ser inferior o igual a 1,5 W/cm² per a una paret d'1,5 mm, inferior o igual a 1,0 W/cm² per a una paret de 3 mm (per mantenir la temperatura central).<260°C). So a thick wall must have lower q to survive. That lower q makes the outer surface cooler.
Condicions de funcionament segures realistes
| Gruix de paret (mm) | Q màxim de seguretat (W/cm²) | Temperatura central (graus) a T_fluid=80 grau, h=1,000 | T_exterior (grau) | Temp. relativa exterior |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 1.2 | 80 + 1.2×10.000×(0.0075+0.001)=80+102=182 grau | 80+12=92 grau | Línia de base |
| 2.0 | 0.9 | 80 + 9,000×(0.01+0.001)=80+99=179 grau | 80+9=89 grau | Més fred 3 graus |
| 2.5 | 0.7 | 80 + 7,000×(0.0125+0.001)=80+94=174 grau | 80+7=87 grau | Més fred 5 graus |
| 3.0 | 0.6 | 80 + 6,000×(0.015+0.001)=80+96=176 grau | 80+6=86 grau | Refresca 6 graus |
En els límits de funcionament segurs, una paret de 3 mm funciona amb un q inferior (0,6 W/cm²) que una paret d'1,5 mm (1,2 W/cm²). La q inferior redueix T_exterior en 6 graus (92 graus enfront de . 86 graus). Així que la paret gruixuda se sent més fresca.
Exemple de camp
Una planta va substituir un escalfador de paret PFA d'1,5 mm (1,2 W/cm², T_outer=92 grau) per un escalfador de paret de 3 mm (0,6 W/cm², T_outer=86 grau). L'escalfador més gruixut necessitava el doble de la superfície (més llargada) per oferir la mateixa potència. Els operadors es van adonar que l'escalfador nou era més fresc al tacte (86 graus vs. 92 graus). L'escalfador també va acumular menys escala (l'escala precipita més ràpidament a temperatura més alta). La planta va concloure que les parets gruixudes són més fresques, perquè estan dissenyades per a una densitat de watts més baixa.
Conclusió: la paret gruixuda funciona més freda perquè funciona amb un flux de calor més baix
Un escalfador de PFA amb una paret gruixuda (3 mm) funciona més fred a la superfície exterior que una unitat de paret fina-(1,5 mm) amb la mateixa potència d'entrada perquè el disseny de la paret gruixuda-ha de funcionar a una densitat de watts més baixa per mantenir la temperatura del nucli metàl·lic dins dels límits segurs. El flux de calor segur màxim per a una paret de 3 mm és de 0,5-0,6 W/cm², mentre que una paret d'1,5 mm pot suportar 1,0-1,2 W/cm². El menor flux de calor redueix la temperatura de la superfície exterior entre 5 i 10 graus. Les parets gruixudes no són inherentment millors conductors; es veuen obligats a funcionar a una densitat de potència més baixa, cosa que els manté més frescos. Per a la mateixa superfície i la mateixa q, la paret gruixuda s'escalfaria més (més ΔT). Però a la pràctica, els escalfadors-de paret gruixuda estan dissenyats amb una superfície més gran per compensar. Així que sí, les parets gruixudes són més fresques, però només perquè són més grans. La mida importa. Si necessiteu una superfície exterior fresca, utilitzeu un escalfador més gran (q inferior). El gruix de la paret és secundari. El flux de calor és primari. Redueix q, redueix T_exterior. Gruixuda o prima, la temperatura exterior depèn de q, no de t. Però gruixudes forces baixes q. Victòries tan espesses. Entendre la física, dissenyar en conseqüència. Els teus dits t'ho agrairan: la superfície exterior fresca és segura de tocar. Però no toqueu un escalfador viu. Encara calent, menys calent. Respecteu la calor.
