رسانایی حرارتی PTFE چیست و چگونه چگالی وات هیتر را محدود می کند؟

PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) ​​به خوبی به عنوان یک عایق الکتریکی عالی و یک مانع شیمیایی شناخته شده است. با این حال، خواص حرارتی آن بسیار کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. همان خاصیتی که PTFE را به عنوان یک عایق حرارتی موفق می کند، یعنی هدایت حرارتی ذاتاً پایین، یک محدودیت اساسی را مستقیماً بر روی طراحی بخاری قرار می دهد، یعنی مقدار توان قابل اتلاف ایمن در واحد سطح از سطح بخاری.

رسانایی حرارتی در کلمات ساده چیست؟
رسانایی حرارتی عبارت است از اینکه چگونه گرما می تواند به راحتی از یک ماده عبور کند. به فلزات فکر کنید. آنها در هدایت حرارتی خوب هستند، بنابراین گرما را سریع و کارآمد منتقل می کنند. عایق های حرارتی موادی هستند که رسانایی حرارتی کمی دارند و مانع انتقال گرما می شوند. PTFE دقیقاً در اردوگاه دوم قرار دارد. هدایت حرارتی آن 0.25 وات بر متر بر کلوین (W/mK) است. برای در نظر گرفتن این موضوع، فولاد ضد زنگ (یک ماده رایج مورد استفاده در گرمایش صنعتی) دارای رسانایی حرارتی در حدود 15 W/m·K است: تقریباً شصت برابر بهتر از PTFE.

درک محدودیت چگالی وات رسانایی حرارتی PTFE
محدودیت عملی تحمیل شده توسط هدایت حرارتی پایین PTFE به بهترین وجه از نظر چگالی وات، توان تلف شده در واحد سطح سطح بخاری، که معمولاً بر حسب وات بر سانتی متر مربع (W/cm²) یا وات بر اینچ مربع (W/in²) نشان داده می شود، قابل درک است.

به عنوان مثال، در یک بخاری غوطه‌وری با روکش PTFE-، عنصر (سیم مقاومتی) توسط مواد PTFE پوشانده یا محصور شده است. گرمای تولید شده توسط سیم داخلی باید از لایه PTFE عبور کند تا به مایع یا محلول مورد نظر برسد. از آنجا که PTFE مقاوم در برابر حرارت است، گرادیان دما از طریق غلاف ایجاد می شود: سطح داخلی نزدیک به سیم مقاومت بسیار داغتر از سطح خارجی در تماس با سیال است.

چگالی وات بالا می تواند باعث شود که دمای داخل از دمای کار ایمن PTFE فراتر رود. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض گرمای شدید داخلی، PTFE را از داخل به بیرون تجزیه می کند و در شرایط شدید به صورت تغییر رنگ، شکنندگی، ترک خوردن یا ذوب شدن ظاهر می شود. این تخریب با تخریب عایق الکتریکی و مقاومت شیمیایی بخاری منجر به خرابی زودرس آن می شود.

بنابراین، حد چگالی وات هدایت حرارتی PTFE حداکثر چگالی توان ایمن را برای جلوگیری از گرمای بیش از حد داخلی تعریف می‌کند و همچنان انتقال حرارت کارآمد را به سیال فرآیند ممکن می‌سازد.

استاندارد صنعتی برای چگالی وات بخاری های PTFE
این محدودیت چگالی وات محتاطانه برای بخاری های غوطه وری PTFE بر اساس تجربه میدانی و تمرین مهندسی صدا ایجاد شده است. برای محلول‌های آبی با هم زدن کم (آب-مانند سیال‌هایی با انتقال حرارت همرفتی خوب به دور از سطح بخاری)، حداکثر چگالی وات توصیه‌شده عبارت است از:

کمتر یا مساوی 1.5 W/cm 2 (حدود 10 W/in 2 )

این امر پیش‌فرض می‌گیرد که سیال به طور مداوم جابجا یا به هم می‌ریزد، که به انتقال گرما از غلاف PTFE بیرونی کمک می‌کند و گرادیان دما را قابل تحمل نگه می‌دارد. اگر سیال راکد یا ضعیف باشد، خنک کننده همرفتی کاهش می یابد. این منجر به افزایش دمای غلاف بیرونی می شود که به نوبه خود باعث می شود دمای سیم داخلی برای یک چگالی وات معین بیشتر افزایش یابد.

مقدار مورد نیاز برای مایعات چالش برانگیز
توجه داشته باشید که استاندارد 1.5 W/cm^2 فقط در شرایط مطلوب اعمال می شود. در بسیاری از موقعیت‌های عملی، کاهش ارزش مورد نیاز است:

نوع سیال چگالی وات توصیه شده معمولی (W/cm2) دلیل برای رتبه بندی De-
هم زدن خوب محلول‌هایی مانند آب-<=1.5Good convection cooling
محلول‌های{0}}مثل آب، هم زدن کم یا بدون همزن کمتر یا مساوی 1.0 – 1.2 انتقال حرارت کمتر از سطح غلاف
سیالات چسبناک (به عنوان مثال روغن، شربت) 0.5 - 0.8 یا کمتر انتقال حرارت همرفتی کم. خطر گرمای بیش از حد موضعی
مایعات رسوب‌دهنده یا پوشش‌دهنده کمتر یا مساوی 0.5 - 1.0رسوب‌های غلاف عایق بیشتری برای سطح ایجاد می‌کنند.
در عمل، انتخاب محتاطانه چگالی وات بهترین روش برای اطمینان از عمر طولانی بخاری PTFE است. فراتر از این محدودیت ها، حتی اندکی، استهلاک حرارت را تسریع می کند و در بسیاری از شرایط ضمانت های سازنده را باطل می کند.

رسانایی حرارتی PTFE، PFA، فولاد ضد زنگ و مس
برای درک بیشتر اینکه چرا PTFE دارای چنین محدودیت چگالی وات است، جدول زیر رسانایی حرارتی آن را با سایر مواد معمولی غلاف بخاری مقایسه می‌کند:

رسانایی حرارتی مواد (W/m·K) در 20-25 درجه رسانایی نسبی در مقابل PTFE
PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) ​​0.23 - 0.26 (~0.25) 1× (پایه)
PFA (پرفلوئوروآلکوکسی آلکان) 0.19 - 0.22 ~ 0.8 × (کمی کمتر)
304/316 فولاد ضد زنگ 14 – 16 حدود 60× بالاتر
مس 380-400 تقریباً 1500 برابر بیشتر است
فلوروپلیمر PFA مربوطه حتی کمی هدایت حرارتی کمتری نسبت به PTFE دارد. این بدان معناست که بخاری‌های غلاف PFA{1}}به تراکم وات به همان اندازه محافظه‌کارانه نیاز دارند. با این حال، فولاد ضد زنگ و مس به دلیل رسانایی حرارتی دو تا سه مرتبه بهتر، چگالی وات بسیار بیشتری را بدون گرمای بیش از حد داخلی اجازه می دهند. با این حال، آنها مانند PTFE دارای مقاومت شیمیایی و کیفیت نچسب نیستند، بنابراین یک تجارت فنی اجتناب ناپذیر بین عملکرد حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی وجود دارد.

مفاهیم طراحی و انتخاب بخاری
رسانایی حرارتی محدود PTFE مستلزم آن است که بخاری های غوطه وری PTFE با تراکم وات بسیار کمتری نسبت به بخاری های روکش فلزی کار کنند. بخاری از جنس استنلس استیل ممکن است به طور ایمن با 10 تا 30 وات بر سانتی متر مربع در آب کار کند، در حالی که بخاری PTFE تحت همین تنظیمات به 1.5 وات بر سانتی متر مربع محدود می شود.

از این رو یک بخاری PTFE باید از نظر مساحت سطح به میزان قابل توجهی برای نیاز انرژی گرمایشی داده شده بزرگتر باشد. به عنوان مثال، برای تامین 3000 وات قدرت گرمایشی:

چنین بخاری از جنس استنلس استیل ممکن است فقط به 100 تا 300 سانتی متر مربع مساحت نیاز داشته باشد.

یک بخاری PTFE به چیزی در حدود 2000 سانتی‌متر مربع (3000 وات ÷ 1.5 وات بر سانتی‌متر{6}}،۰۰۰ سانتی‌متر مربع) نیاز دارد.

هر چه سطح غلاف بزرگتر باشد، طول بخاری فیزیکی یا بسیاری از عناصر گرمایشی بیشتر می شود. این باید توسط طراحان و کاربران نهایی در هنگام تعیین بخاری های PTFE برای مخازن، ظروف یا حمام های آبکاری در نظر گرفته شود. یکی از شایع ترین علل خرابی زود هنگام بخاری PTFE، مساحت سطح کافی نیست، یعنی چگالی وات بیشتر از دستورالعمل 1.5 W/cm 2 .

نتیجه گیری: طراحی بخاری PTFE قابل اعتماد بر اساس طراحی چگالی وات کم
اما PTFE رسانایی حرارتی پایینی در حدود 0.25 W/m·K دارد که یک نعمت و یک نفرین است. عایق الکتریکی خوبی دارد و از نظر شیمیایی بی اثر است. اما حداکثر توانی که می توان به طور ایمن در واحد سطح از سطح بخاری تلف کرد، نسبتاً محدود است. حد چگالی وات هدایت حرارتی PTFE- کمتر یا مساوی 1.5 وات بر سانتی‌متر مربع برای-محلول‌های آبی خوب هم زده-یک توصیه محافظه‌کارانه نیست، بلکه یک محدودیت مهندسی ذاتی ناشی از رفتار حرارتی مواد است.

فراتر از این حد، المنت حرارتی داخلی بیش از حد گرم می شود و غلاف PTFE را از داخل فرسایش می دهد و منجر به خرابی زودرس می شود. بنابراین انتخاب چگالی وات صحیح، از جمله درجه بندی لازم برای سیالات چسبناک یا هم زدن ضعیف، یک عنصر کلیدی در طراحی بخاری های PTFE قابل اعتماد است. هنگامی که محدودیت‌های هدایت حرارتی به دست می‌آید، بخاری‌های PTFE چندین دهه خدمات رایگان را در شرایط شیمیایی سخت که بخاری‌های فلزی در هفته‌ها یا چند روز از کار می‌افتند، ارائه می‌کنند.