एक रासायनिक स्नान की सतह के नीचे संचालित होने वाले एक PTFE विसर्जन हीटर की कल्पना करें। असेंबली के अंदर, धातु प्रतिरोध तत्व विद्युत ऊर्जा को गर्मी में परिवर्तित करता है। आंतरिक तत्व ऊंचे तापमान तक पहुंच सकता है, जबकि बाहरी पीटीएफई आवरण संरचनात्मक रूप से बरकरार और रासायनिक रूप से स्थिर रहता है। कोई लौ दिखाई नहीं देती, और कोई यांत्रिक गति नहीं होती। फिर भी आसपास का तरल पदार्थ धीरे-धीरे गर्म होता है। प्रश्न स्वाभाविक रूप से उठता है: तापीय ऊर्जा आंतरिक तत्व से तरल तक के अंतर को कैसे पाटती है?
इसका उत्तर ऊष्मा स्थानांतरण के तीन मूलभूत तरीकों की समन्वित क्रिया में निहित है: चालन, संवहन और विकिरण। पीटीएफई विसर्जन हीटर में, ये तंत्र एक परिभाषित थर्मल पथ के साथ मिलकर काम करते हैं, प्रत्येक चरण समग्र प्रदर्शन में योगदान देता है।
हीटर असेंबली के भीतर संचालन
ऊष्मा स्थानांतरण यात्रा प्रतिरोध तार से शुरू होती है। जब तत्व से विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो प्रतिरोधक तापन से उसका तापमान बढ़ जाता है। तत्व के चारों ओर एक सघन इन्सुलेशन सामग्री है, आमतौर पर मैग्नीशियम ऑक्साइड या एक समान सिरेमिक यौगिक। यह सामग्री दो उद्देश्यों को पूरा करती है: यह विद्युत रूप से जीवित कंडक्टर को बाहरी आवरण से अलग करती है और यह गर्मी को बाहर की ओर संचालित करती है।
यद्यपि इसे विद्युत रूप से "इन्सुलेशन" कहा जाता है, इस सामग्री को अपेक्षाकृत अच्छी तापीय चालकता के लिए इंजीनियर किया गया है। चालन द्वारा गर्मी हस्तांतरण तब होता है जब ऊर्जा गर्म प्रतिरोध तार में उच्च ऊर्जा अणुओं से इन्सुलेटिंग माध्यम में आसन्न कणों तक गुजरती है। यह प्रक्रिया तापमान प्रवणता द्वारा संचालित होती है, जिसका अर्थ है कि गर्मी गर्म क्षेत्र से ठंडे क्षेत्रों की ओर प्रवाहित होती है।
इस परत के भीतर थर्मल प्रतिरोध मौजूद है, लेकिन इसे घने संघनन और सावधानीपूर्वक सामग्री चयन द्वारा कम किया जाता है। इस आंतरिक इन्सुलेशन के माध्यम से कुशल संचालन यह सुनिश्चित करता है कि गर्मी तत्व की सतह पर अत्यधिक जमा होने के बजाय तेजी से म्यान की ओर बढ़ती है।
पीटीएफई शीथ के माध्यम से संचालन
आंतरिक इन्सुलेशन से गुजरने के बाद, गर्मी पीटीएफई शीथ की आंतरिक सतह तक पहुंचती है। इस बिंदु से, ठोस बहुलक दीवार के माध्यम से संचालन शासी तंत्र बन जाता है।
ठोस पदार्थों में चालन आसन्न कणों के बीच आणविक कंपन और ऊर्जा हस्तांतरण के माध्यम से होता है। यद्यपि पीटीएफई में धातुओं की तुलना में कम तापीय चालकता होती है, दीवार की मोटाई नियंत्रित होने पर गर्मी हस्तांतरण प्रभावी रहता है। एक सामान्य इंजीनियरिंग सिद्धांत यह है कि मोटाई के साथ थर्मल प्रतिरोध बढ़ता है। इस कारण से, PTFE विसर्जन हीटरों को चालन प्रतिरोध को कम करने के लिए अपेक्षाकृत पतली म्यान दीवारों के साथ डिज़ाइन किया गया है।
पीटीएफई दीवार के पार तापमान प्रवणता गर्मी को बाहर की ओर ले जाती है। आंतरिक सतह, गर्म आंतरिक असेंबली के संपर्क में, तरल के संपर्क में आने वाली बाहरी सतह की तुलना में अधिक तापमान पर होती है। यह अंतर निरंतर ताप प्रवाह को बनाए रखता है। व्यवहार में, रासायनिक सुरक्षा को संरक्षित करते हुए स्वीकार्य गर्मी हस्तांतरण दरों को बनाए रखने के लिए पीटीएफई दीवार को पतला रखना आवश्यक है।
इस स्तर पर, चालन ऊष्मा स्थानांतरण का प्रमुख माध्यम बना हुआ है। पीटीएफई परत का थर्मल प्रतिरोध समग्र गर्मी हस्तांतरण समीकरण में निश्चित घटकों में से एक बन जाता है।
तरल इंटरफ़ेस पर संवहन
एक बार जब गर्मी पीटीएफई शीथ की बाहरी सतह तक पहुंच जाती है, तो तंत्र ठोस के भीतर चालन से तरल पदार्थ में संवहन में बदल जाता है। संवहन में एक ठोस सतह और एक गतिशील तरल पदार्थ के बीच गर्मी हस्तांतरण शामिल होता है, जो तापमान अंतर और तरल गति दोनों द्वारा संचालित होता है।
हीटर की सतह के तत्काल संपर्क में आने वाले तरल अणु तापीय ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और तापमान में वृद्धि करते हैं। जैसे-जैसे वे गर्म होते हैं, उनका घनत्व थोड़ा कम हो जाता है, जिससे वे प्राकृतिक संवहन धाराओं में ऊपर की ओर बढ़ने लगते हैं। फिर ठंडा तरल उन्हें सतह पर प्रतिस्थापित कर देता है, जिससे ताप विनिमय प्रक्रिया जारी रहती है।
कई औद्योगिक टैंकों में, मजबूर संवहन इस प्रक्रिया को बढ़ाता है। उत्तेजना, पंपिंग, या परिसंचरण प्रणालियाँ हीटर की सतह के पार द्रव वेग को बढ़ाती हैं। व्यवहार में, संवहन चरण अक्सर गर्मी हस्तांतरण श्रृंखला का सबसे धीमा हिस्सा होता है। सतह के निकट अपेक्षाकृत स्थिर तरल की सीमा परत से जुड़ा थर्मल प्रतिरोध समग्र गर्मी हस्तांतरण को सीमित कर सकता है।
द्रव प्रवाह में सुधार से सीमा परत की मोटाई कम हो जाती है और संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक बढ़ जाता है। नतीजतन, बेहतर परिसंचरण विद्युत ऊर्जा इनपुट को बदले बिना हीटिंग दक्षता में काफी वृद्धि कर सकता है।
तरल पदार्थों में एक मामूली योगदानकर्ता के रूप में विकिरण
विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण के तीसरे तरीके का प्रतिनिधित्व करता है। इसमें तापमान के कारण विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन शामिल है। परम शून्य से ऊपर के सभी पिंड तापीय विकिरण उत्सर्जित करते हैं।
विसर्जन हीटिंग अनुप्रयोगों में जहां हीटर तरल में डूबा हुआ होता है, विकिरण एक छोटी भूमिका निभाता है। तरल पदार्थ आमतौर पर विकिरण ऊर्जा को जल्दी से अवशोषित और नष्ट कर देते हैं, और आवरण सतह और आसन्न तरल पदार्थ के बीच की छोटी दूरी विकिरण योगदान को सीमित कर देती है।
हालाँकि, विकिरण तब अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है जब हीटर तरल के बजाय हवा या गैस में संचालित होता है। ऐसे मामलों में, गर्मी हस्तांतरण का एक हिस्सा हीटर की सतह और आसपास की सतहों के बीच विकिरण विनिमय के माध्यम से होता है। जलमग्न पीटीएफई विसर्जन हीटरों में चालन और संवहन अत्यधिक हावी होते हैं।
संयुक्त थर्मल प्रतिरोध और सिस्टम प्रदर्शन
पीटीएफई विसर्जन हीटर में संपूर्ण गर्मी हस्तांतरण पथ को थर्मल प्रतिरोधों की एक श्रृंखला के रूप में देखा जा सकता है: इन्सुलेशन के माध्यम से आंतरिक संचालन, पीटीएफई शीथ के माध्यम से संचालन, और तरल में संवहन। जलमग्न स्थितियों में विकिरण का योगदान न्यूनतम होता है।
कुल ताप अंतरण दर इन प्रतिरोधों के योग पर निर्भर करती है। भले ही विद्युत ऊर्जा उत्पादन पर्याप्त हो, किसी भी स्तर पर उच्च तापीय प्रतिरोध प्रभावी ताप वितरण को सीमित कर सकता है। उदाहरण के लिए, एक मोटी म्यान चालन प्रतिरोध को बढ़ाती है, जबकि खराब तरल पदार्थ की गति संवहन प्रतिरोध को बढ़ाती है।
आंतरिक तत्व से तरल तक ऊर्जा पहुंचाने के लिए गर्मी हस्तांतरण के सभी तीन तरीके एक साथ काम करते हैं। चालन ठोस पदार्थों के माध्यम से गर्मी को स्थानांतरित करता है, संवहन इसे तरल पदार्थ के भीतर वितरित करता है, और विकिरण एक पूरक तंत्र प्रदान करता है।
इस एकीकृत प्रक्रिया को समझने से स्पष्ट होता है कि सतह क्षेत्र, म्यान की मोटाई और प्रवाह की स्थिति विसर्जन हीटर के प्रदर्शन में इतनी महत्वपूर्ण भूमिका क्यों निभाती है। गर्मी हस्तांतरण के तंत्र स्थापित होने के साथ, यह स्पष्ट हो जाता है कि ज्यामिति और द्रव गतिशीलता का अनुकूलन उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि सही विद्युत शक्ति रेटिंग का चयन करना।
