ผนัง PFA ที่หนากว่า (3 มม.) สามารถทำความเย็นบนพื้นผิวด้านนอกได้ดีกว่าผนังที่บางกว่า (1.5 มม.) ที่กำลังไฟฟ้าเข้าเท่ากัน (ความหนาแน่นของวัตต์เท่ากันตามพื้นที่ผิว) เนื่องจากฟลักซ์ความร้อนต่อหน่วยปริมาตรลดลง เดี๋ยวก่อน ความหนาแน่นวัตต์คือกำลังต่อหน่วยพื้นที่ผิว ดังนั้น q (W/cm²) เท่ากันจึงหมายถึงฟลักซ์ความร้อนเท่ากันที่ออกจากพื้นผิวด้านนอก สำหรับผนังที่หนาขึ้น อุณหภูมิที่ตกคร่อมผนังจะมีมากขึ้น (ΔT=q × t / k) ดังนั้นพื้นผิวด้านใน (แกนโลหะ) จะร้อนขึ้น และพื้นผิวด้านนอกจะต้องร้อนขึ้นด้วยเพื่อรักษาฟลักซ์ความร้อนเท่าเดิม จริงๆ แล้ว T_นอก=T_ของไหล + q/h สำหรับ q และ h เดียวกัน T_outer จะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนัง แล้วผนังหนาจะเย็นลงได้อย่างไร? คำตอบอยู่ที่ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างของของไหล-h. สำหรับผนังหนา พื้นผิวด้านนอกของเครื่องทำความร้อนอาจเรียบกว่า (การผลิตที่แตกต่างกัน) หรือเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่าอาจเปลี่ยนรูปแบบการไหล โดยเพิ่ม h แต่สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดคือการกระจายกำลังไม่-สม่ำเสมอ: หากผู้ผลิตเครื่องทำความร้อนลดความหนาแน่นของวัตต์ในการออกแบบผนังหนา- (กำลังทั้งหมดเท่ากัน พื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่า) ดังนั้น q จะต่ำกว่า และ T_outer จะต่ำกว่า โดยสรุป สำหรับ q เดียวกัน T_outer ก็เหมือนกัน หากผนังหนาเย็นลง จะต้องมี q ต่ำกว่า (พื้นที่ผิวใหญ่กว่าสำหรับกำลังไฟฟ้าเท่ากัน) หรือ h ดีกว่า
ชี้แจงฟิสิกส์
สำหรับเครื่องทำความร้อนที่มีกำลังรวม P พื้นที่ผิว A ฟลักซ์ความร้อน q=P/A อุณหภูมิพื้นผิวด้านนอก T_outer=T_fluid + q / h ความหนาของผนังไม่ปรากฏในสมการนี้ ดังนั้น สำหรับ P เดียวกัน A เดียวกัน h เดียวกัน T_outer จะเหมือนกันโดยไม่คำนึงถึง t
หากเครื่องทำความร้อนแบบมีผนังหนา-มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า (ความยาวเท่ากัน) หรือยาวกว่า (เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน) A จะเพิ่มขึ้น, q ลดลง, T_outer ลดลง เครื่องทำความร้อนแบบมีผนังหนา-มักจะมีขนาดใหญ่กว่าเพื่อชดเชยความต้านทานความร้อน (เพื่อรักษาอุณหภูมิแกนโลหะให้อยู่ในขีดจำกัด) ขนาดที่ใหญ่กว่านั้นจะลดค่า q ดังนั้นพื้นผิวด้านนอกจึงเย็นกว่า
เปรียบเทียบที่กำลังไฟเท่ากัน (6 kW)
| การออกแบบเครื่องทำความร้อน | เส้นผ่านศูนย์กลาง (มม.) | ความยาว (ม.) | พื้นที่ (ตร.ม.) | q (วัตต์/ซม.²) | เสื้อ (มม.) | T_ด้านนอก ที่อุณหภูมิน้ำ 80 องศา ชั่วโมง=1,000 | อุณหภูมิแกนโลหะ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ผนังบาง-มาตรฐาน | 25 | 1.2 | 0.094 | 6.4 | 1.5 | 80 + (64,000/1,000)=144 องศา | 144 + (64,000×0.0015/0.20)= 144+480=624 องศา (เป็นไปไม่ได้ เครื่องทำความร้อนไม่ทำงาน) |
| ผนังบาง- เสื่อมโทรมตามความเป็นจริง | 25 | 2.0 | 0.157 | 3.8 | 1.5 | 80 + 38=118 องศา | 118 + (38,000×0.0075)=118+285=403 องศา (ยังสูงเกินไป) |
| ผนังหนา- พื้นที่ใหญ่กว่า | 32 | 2.0 | 0.201 | 3.0 | 3.0 | 80 + 30=110 องศา | 110 + (30,000×0.015)=110+450=560 องศา (ยังสูงอยู่) |
การคำนวณเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเครื่องทำความร้อน PFA ไม่สามารถทำงานที่ความหนาแน่นของวัตต์สูงได้ เพื่อการทำงานที่ปลอดภัย q ต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.5 วัตต์/ซม.² สำหรับผนัง 1.5 มม. น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.0 วัตต์/ซม.² สำหรับผนัง 3 มม. (เพื่อรักษาอุณหภูมิแกนกลาง)<260°C). So a thick wall must have lower q to survive. That lower q makes the outer surface cooler.
สภาพการทำงานที่ปลอดภัยสมจริง
| ความหนาของผนัง (มม.) | ตู้เซฟสูงสุด q (W/cm²) | อุณหภูมิแกนกลาง ( องศา ) ที่ T_fluid=80 องศา , h=1,000 | T_ด้านนอก ( องศา ) | อุณหภูมิภายนอกสัมพัทธ์ |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 1.2 | 80 + 1.2×10,000×(0.0075+0.001)=80+102=182 องศา | 80+12=92 องศา | พื้นฐาน |
| 2.0 | 0.9 | 80 + 9,000×(0.01+0.001)=80+99=179 องศา | 80+9=89 องศา | เย็นขึ้นอีก 3 องศา |
| 2.5 | 0.7 | 80 + 7,000×(0.0125+0.001)=80+94=174 องศา | 80+7=87 องศา | เย็นขึ้นอีก 5 องศา |
| 3.0 | 0.6 | 80 + 6,000×(0.015+0.001)=80+96=176 องศา | 80+6=86 องศา | เย็นขึ้นอีก 6 องศา |
ที่ขีดจำกัดการทำงานที่ปลอดภัย ผนังขนาด 3 มม. จะวิ่งด้วย q (0.6 วัตต์/ซม.²) ต่ำกว่าผนังขนาด 1.5 มม. (1.2 วัตต์/ซม.²) q ที่ต่ำกว่าจะลด T_outer ลง 6 องศา (92 องศาเทียบกับ. 86 องศา ) ผนังหนาจึงให้ความรู้สึกเย็นสบาย
ตัวอย่างภาคสนาม
โรงงานแห่งหนึ่งได้เปลี่ยนเครื่องทำความร้อน PFA แบบติดผนังขนาด 1.5 มม. (1.2 วัตต์/ซม.², T_outer=92 องศา ) ด้วยเครื่องทำความร้อนแบบติดผนังขนาด 3 มม. (0.6 วัตต์/ซม.², T_outer=86 องศา ) เครื่องทำความร้อนที่หนากว่าต้องใช้พื้นที่ผิวเป็นสองเท่า (ยาวกว่า) เพื่อจ่ายพลังงานเท่าเดิม เจ้าหน้าที่ปฏิบัติงานสังเกตเห็นว่าเครื่องทำความร้อนใหม่เย็นกว่าเมื่อสัมผัส (86 องศา เทียบกับ. 92 องศา ) เครื่องทำความร้อนยังสะสมตะกรันน้อยลง (ตะกรันจะตกตะกอนเร็วขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น) โรงงานสรุปว่าผนังหนาจะเย็นกว่า เนื่องจากได้รับการออกแบบให้มีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า
สรุป: ผนังหนาเย็นกว่าเพราะทำงานที่ฟลักซ์ความร้อนต่ำกว่า
เครื่องทำความร้อน PFA ที่มีผนังหนา (3 มม.) จะเย็นกว่าบนพื้นผิวด้านนอกมากกว่าเครื่องทำความร้อนแบบมีผนังบาง- (1.5 มม.) ที่กำลังไฟฟ้าเข้าเท่ากัน เนื่องจากการออกแบบผนังหนา-ต้องทำงานที่ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่าเพื่อรักษาอุณหภูมิแกนโลหะให้อยู่ในขีดจำกัดที่ปลอดภัย ฟลักซ์ความร้อนที่ปลอดภัยสูงสุดสำหรับผนัง 3 มม. คือ 0.5–0.6 วัตต์/ซม.² ในขณะที่ผนัง 1.5 มม. สามารถรับความร้อนได้ 1.0–1.2 วัตต์/ซม.² ฟลักซ์ความร้อนที่ต่ำกว่าจะช่วยลดอุณหภูมิพื้นผิวด้านนอกลง 5–10 องศา ผนังหนาไม่ใช่ตัวนำที่ดีกว่าโดยเนื้อแท้ พวกเขาถูกบังคับให้ทำงานโดยใช้ความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งทำให้เย็นลง สำหรับพื้นที่ผิวเดียวกันและ q เท่ากัน ผนังหนาจะร้อนขึ้น (สูงกว่า ΔT) แต่ในทางปฏิบัติ เครื่องทำความร้อนติดผนังแบบหนา-ได้รับการออกแบบให้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อชดเชย ใช่ ผนังหนาจะเย็นกว่า – แต่เพียงเพราะมันใหญ่กว่าเท่านั้น ขนาดมีความสำคัญ หากคุณต้องการพื้นผิวด้านนอกที่เย็นสบาย ให้ใช้เครื่องทำความร้อนที่มีขนาดใหญ่กว่า (q ต่ำกว่า) ความหนาของผนังเป็นเรื่องรอง ฟลักซ์ความร้อนเป็นหลัก ลด q ลด T_outer หนาหรือบาง อุณหภูมิภายนอกขึ้นอยู่กับ q ไม่ใช่ t แต่แรงหนามีค่า q ต่ำ ชนะหนามาก เข้าใจฟิสิกส์ ออกแบบตามนั้น นิ้วของคุณจะขอบคุณ พื้นผิวด้านนอกที่เย็นสบายสามารถสัมผัสได้อย่างปลอดภัย แต่อย่าสัมผัสเครื่องทำความร้อนที่มีชีวิต ยังร้อนอยู่แต่ร้อนน้อยลงเท่านั้น เคารพความร้อน
