שאלת ההסעה
מתקן לעיבוד כימי מפעיל לוחות חימום PTFE בעוצמה של 1.2 W/cm² עם הסעה טבעית. הלוחות פועלים ב-85 מעלות וטמפרטורת פני השטח היא 105-110 מעלות - קרוב לגבול השירות של PTFE. מתקן אחות עם זרימה מאולצת על פני הצלחת משיג את אותה טמפרטורת האמבט של 1.6 W/cm² עם אותה טמפרטורת פני השטח. ההסעה הכפויה מובילה חום בצורה יעילה יותר, ומאפשרת צפיפות הספק גבוהה יותר מבלי לחרוג מהמגבלה התרמית של PTFE.
הסעה מאולצת נוזל פעילה מגדילה באופן משמעותי את צפיפות ההספק הניתנת להשגה. מקדם העברת החום עם זרימה מאולצת גבוה פי 2-5 מהסעה טבעית, מה שמאפשר יותר כוח ליחידת שטח.
ההבדל במקדם ההסעה
הסעה טבעית מסתמכת על זרימה מונעת-על ציפה. מקדם העברת החום הוא בדרך כלל 300-600 W/m²K. הסעה מאולצת-שאיבה או ערבול-יוצרות מהירויות זרימה של 0.2-1.0 מ"ש, ומגדילות את מקדם העברת החום ל-800-2,500 W/m²K. המקדם הגבוה יותר פירושו שאותה קלט הספק מייצר טמפרטורת פני שטח PTFE נמוכה יותר, או כניסת הספק גבוהה יותר מייצרת את אותה טמפרטורת פני השטח.
הקשר הוא ליניארי. עלייה של פי 2 במקדם העברת החום מאפשרת בערך פי שניים את צפיפות ההספק עבור אותה עליית טמפרטורת פני השטח.
| סוג זרימה | מהירות זרימה | מקדם העברת חום | צפיפות כוח ניתנת להשגה (אמבטיה של 85 מעלות) | טמפרטורת פני PTFE |
|---|---|---|---|---|
| הסעה טבעית | <0.05 m/s | 300-600 W/m²K | 0.8-1.2 W/cm² | 100-115 מעלות |
| תסיסה עדינה | 0.1-0.3 m/s | 600-1,000 W/m²K | 1.2-1.8 W/cm² | 100-115 מעלות |
| זרימה מאולצת מתונה | 0.3-0.6 m/s | 1,000-1,600 W/m²K | 1.6-2.5 W/cm² | 100-115 מעלות |
| זרימה מאולצת גבוהה | 0.6-1.0 m/s | 1,600-2,500 W/m²K | 2.0-3.5 W/cm² | 100-115 מעלות |
הגבלה התרמית
ל-PTFE יש טמפרטורת שירות רציפה מעשית של כ-110-115 מעלות בממשק האלמנט. טמפרטורת פני השטח היא בדרך כלל 15-30 מעלות מעל טמפרטורת האמבטיה, תלוי בעובי הדופן ובצפיפות ההספק. בצפיפות הספק גבוהה יותר, טמפרטורת פני השטח עולה ומתקרבת לגבול ה-PTFE. הסעה מאולצת מפחיתה את הפרש הטמפרטורה בין המשטח לאמבטיה, ומאפשרת צפיפות הספק גבוהה יותר עבור אותה טמפרטורת פני השטח.
השלכות עיצוב עבור התקנות חדשות
מערכות הסעה טבעיות דורשות צפיפות וואט נמוכה יותר (0.8-1.2 W/cm²) עם לוחות גדולים ויקרים יותר. מערכות הסעה מאולצת מאפשרות צפיפות וואט גבוהה יותר (1.6-2.5 W/cm²) עם לוחות קטנים יותר, בעלות נמוכה יותר, אך דורשות משאבות או ציוד ערבול. צלחת של 1.8 ואט/ס"מ קטנה בכ-40% מצלחת של 1.2 ואט/סמ"ר לאותו הספק כולל. הצלחת הקטנה יותר עולה 15-25% פחות אך דורשת משאבה שמוסיפה 1,000-3,000 דולר לכל מיכל ועלויות חשמל שוטפות. תקופת ההחזר עבור הסעה כפויה תלויה במספר הצלחות ובעלות החשמל.
מיקום משאבה ועיצוב זרימה
פגיעה ישירה בצלחת עם חרירים מספקת את המהירות הגבוהה ביותר ואת העברת החום הטובה ביותר, אך עלולה לגרום לרטט בצלחת. עיצוב זרימה צולבת- פועל במקביל למשטח הלוח, ומספק מהירות מתונה עם פחות רעידות. זרימה מונעת-בכוח יוצרת תנועה בתפזורת עם מהירות נמוכה יותר אך אחידה יותר על פני הצלחת. עבור רוב ההתקנות, 0.3-0.5 m/s מספיקים להעברת חום אופטימלית - מהירות נוספת מספקת החזרים פוחתים.
יישום מעשי וכלכלה
הוספת משאבת סחרור למערכות הסעה טבעיות קיימות יכולה להגביר את העברת החום ב-60-100%. מתקן עם 12 מיכלים הוסיף משאבות זרימה נמוכה- והגדיל את תפוקת ההספק מ-1.0 W/cm² ל-1.5 W/cm² באותה טמפרטורת פני השטח. זמן החימום{15} ירד ב-25%, והמתקן דחה את החלפת הפלטות המתוכננת ב-3 שנים. עלות המשאבה הייתה 2,500 דולר לכל מיכל, שהתאוששה באמצעות חיי לוחות ארוכים וחיסכון באנרגיה תוך 18 חודשים. עבור התקנות חדשות של-הספק גבוה, הסעה מאולצת צריכה להיות ברירת המחדל-כאשר גודל הצלחת הקטן יותר ועלות ההון המופחתת מצדיקים לעתים קרובות את ההשקעה במשאבה. עבור טנקים מוגבלים-במקום, הסעה מאולצת היא הכרחית שכן לוחות קטנים יותר הם האפשרות היחידה להכנסת הכוח הנדרש לחלל מוגבל. מדידת טמפרטורת פני השטח באמצעות צמד תרמי או הדמיה תרמית מאשרת את היתרון - מתקן למדידת טמפרטורת פני השטח נמצאה הסעה טבעית הראתה 112 מעלות ב-1.2 W/cm², בעוד שהסעה מאולצת (0.4 מ"ש) נתנה 98 מעלות באותה צפיפות הספק. לאחר מכן הם עלו ל-1.8 W/cm², והשיגו טמפרטורת פני השטח של 112 מעלות עם 50% יותר הספק מאותו אזור צלחת. המשאבה שילמה את עצמה תוך 8 חודשים באמצעות מופחתת החלפת לוחיות ועלויות אנרגיה.
