Pramoninėse šildymo sistemose atsiranda pasikartojantis ir dažnai mįslingas gedimų modelis: du panardinami šildytuvai, kurių bendra galia yra vienodi, sumontuoti panašiose talpyklose, veikiančiose esant tokiai pačiai skysčio temperatūrai. Vienas trunka metus, o kitas sugenda per anksti. Vienintelis matomas skirtumas yra fizinis dydis-vienas šildytuvas yra ilgesnis ir daugiau atviro paviršiaus, kitas trumpesnis ir kompaktiškesnis. Paslėptas kintamasis yra paviršiaus vatų tankis. Norint optimizuoti PTFE panardinamųjų šildytuvų tarnavimo laiką, būtina suprasti šį parametrą.
Paviršiaus vatų tankis, kartais vadinamas paviršiaus apkrova arba šilumos srautu, apibrėžiamas kaip elektros energijos kiekis, išleidžiamas šildytuvo paviršiaus ploto vienetui. Paprastai jis išreiškiamas vatais kvadratiniam centimetrui (W/cm²) arba vatais kvadratiniam coliui (W/in²). Matematiškai jis apskaičiuojamas taip:
Paviršiaus vatų tankis=bendra galia (W) / šildomo paviršiaus plotas (cm²)
Dviejų vienodos galios šildytuvų paviršiaus vatų tankis gali labai skirtis, jei skiriasi jų paviršiaus plotai. Trumpesnis šildytuvas sutelkia tą pačią galią mažesniame plote, padidindamas šilumos srautą ir pakeldamas apvalkalo temperatūrą.
Šiluminis principas, reguliuojantis šildytuvo veikimą, yra paprastas. Elektros varža elemento viduje sukuria šilumą. Ši šiluma turi judėti į išorę per PTFE apvalkalą ir į aplinkinį skystį. Šilumos perdavimo greitis priklauso nuo temperatūrų skirtumo tarp apvalkalo paviršiaus ir skysčio, taip pat nuo konvekcinio skysčio šilumos perdavimo koeficiento. Jei paviršiaus vatų tankis yra didelis, šildytuvas turi veikti aukštesnėje apvalkalo temperatūroje, kad į skystį patektų reikiama šiluma.
Apvalkalo temperatūra -o ne skysčio temperatūra-yra esminis PTFE ilgaamžiškumo veiksnys. Nors PTFE dažnai vertinamas nepertraukiamam darbui iki maždaug 200 laipsnių, šis įvertinimas reiškia vienodą šios temperatūros poveikį. Didelis paviršiaus vatų tankis gali sukurti vietines karštąsias vietas, kur apvalkalo temperatūra žymiai viršija tūrinio skysčio temperatūrą. Padidėjusi apvalkalo temperatūra pagreitina terminį skaidymąsi, skatina mikroįtrūkimus ir padidina jautrumą cheminiam poveikiui. Sunkiais atvejais gali atsirasti pūslių arba fluoropolimero deformacija.
Palyginti su metaliniais{0}}apvalkalais šildytuvais, PTFE panardinamieji šildytuvai veikia esant žymiai mažesniam leistinam paviršiaus vatų tankiui. Metalai, tokie kaip nerūdijantis plienas, efektyviai praleidžia šilumą ir toleruoja aukštesnę paviršiaus temperatūrą be degradacijos. PTFE, nors ir chemiškai inertiškas, turi mažesnį šilumos laidumą ir mažesnį mechaninį stiprumą aukštesnėje temperatūroje. Tipiškas rekomenduojamas PTFE šildytuvų paviršiaus vatų tankis svyruoja nuo maždaug 0,5 iki 2,5 W/cm², priklausomai nuo skysčio tipo ir srauto sąlygų. Metaliniai -apvalkalai šildytuvai gali veikti kelis kartus daugiau nei ši vertė.
Skysčio charakteristikos stipriai įtakoja tinkamą šilumos srauto pasirinkimą. Skysčiai, turintys gerą cirkuliaciją ir aukštą šilumos laidumą, pvz., vandens{1}} tirpalai su maišymu, gali toleruoti didesnį paviršiaus vatų tankį, nes šiluma efektyviai pašalinama iš apvalkalo. Priešingai, klampiems skysčiams, stovintiems rezervuarams ar tirpalams, linkusiems užsiteršti, reikalingas mažesnis vatų tankis, kad būtų išvengta perkaitimo.
Praktiškai statinės rūgšties vonioms, kurių cirkuliacija prasta, vatų tankio palaikymas mažesnis nei 1,5 W/cm² dažnai yra daugelio metų eksploatavimo raktas. Sumažėjęs šilumos srautas sumažina apvalkalo temperatūrą ir sumažina PTFE šiluminį įtampą. Labai klampiems arba prastai sumaišytiems skysčiams gali prireikti dar mažesnių verčių.
Darbinė temperatūra taip pat turi įtakos leistinam vatų tankiui. Tūrinio skysčio temperatūrai artėjant prie viršutinės PTFE naudojimo ribos, leistinas paviršiaus šilumos srautas mažėja. Dažna klaida yra prielaida, kad kadangi PTFE yra 200 laipsnių, šildytuvas gali veikti tokia temperatūra; Didelis vatų tankis gali sukurti vietines karštąsias vietas, kurios gerokai viršija skysčio temperatūrą. Net jei bakas palaikomas 120 laipsnių temperatūroje, apvalkalo paviršius gali būti žymiai karštesnis, jei šilumos pašalinimas yra ribotas.
Cheminė aplinka dar labiau įtakoja dizaino sprendimus. Nors PTFE pasižymi dideliu cheminiu atsparumu, aukštesnė temperatūra pagreitina cheminių medžiagų prasiskverbimą ir bet kokius galimus skilimo mechanizmus. Mažesnis paviršiaus vatų tankis sumažina bendrą šilumos ir chemijos poveikį, todėl pailgėja eksploatavimo laikas.
Srauto sąlygos yra kitas pagrindinis kintamasis. Priverstinės-cirkuliacijos sistemose arba rezervuaruose su efektyviu maišymu konvekciniai šilumos perdavimo koeficientai yra didesni. Patobulintas skysčio judėjimas efektyviau pašalina šilumą iš apvalkalo, todėl galima saikingai padidinti leistiną šilumos srautą. Ir atvirkščiai, sluoksniuotoms arba prastai sumaišytoms talpykloms reikia konservatyvaus paviršiaus apkrovos parinkimo.
Vatų tankis taip pat turi įtakos apnašų susidarymui ir užsiteršimo elgesiui. Per didelė apvalkalo temperatūra gali paskatinti vietinį virimą arba nuosėdų susidarymą šildytuvo paviršiuje, ypač koncentruotuose tirpaluose. Nuosėdos veikia kaip šilumos izoliacija, toliau didindamos apvalkalo temperatūrą grįžtamojo ryšio cikle, kuris pagreitina gedimą. Mažesnis šilumos srautas sumažina šią riziką.
Šildymo elementų projektavimo inžinieriams paviršiaus vatų tankis tampa pagrindiniu parametru, kontroliuojančiu apvalkalo temperatūrą, taigi ir bendrą patikimumą. Bendra galia lemia, kiek energijos turi būti tiekiama, tačiau paviršiaus plotas lemia, kaip saugiai ta energija gali būti perkelta į proceso skystį. Eksploatavimo trukmės optimizavimas priklauso nuo apvalkalo temperatūros palaikymo saugiose ribose blogiausiomis-darbo sąlygomis.
Apskaičiavus bendrą reikalingą galią ir pasirinkus atitinkamą paviršiaus vatų tankį, atsižvelgiant į skysčio savybes, darbo temperatūrą ir cirkuliacijos sąlygas, galima nustatyti fizinį šildytuvo dydį. Padidinus šildomą ilgį arba naudojant kelis elementus, padidėja bendras paviršiaus plotas, sumažėja šilumos srautas išlaikant reikiamą galią. Tinkamas bendros galios ir paviršiaus vatų tankio subalansavimas užtikrina šiluminį našumą ir ilgalaikį -patvarumą naudojant sudėtingus cheminio šildymo įrenginius.
