Pinnase kui soojuskandja mõistmine

Pinnase soojendamine on keeruline tehniline probleem, kuna mustus ei toimi nagu need, mida kassettkütteseadmed tavaliselt puudutavad. Muld on mineraalide, orgaanilise aine, õhu ja vee kompleksne granuleeritud segu. Selle koostis võib isegi väikeses piirkonnas palju muutuda. See erineb alumiiniumist, vasest või vedelast keskkonnast, millel kõigil on ühtlased ja prognoositavad termilised omadused. Selle soojusjuhtivus, soojusmahtuvus ja tihedus muutuvad palju, kui niiskusesisaldus, osakeste suuruse jaotus ja tihendus muutuvad. See muudab selle väga muutlikuks ja ootamatuks soojuse edastamise viisiks. Kui insenerid kavandavad kassettküttesüsteeme kasutamiseks põllumajanduses, geotermilises energias või ehituses, peavad nad teadma, kuidas pinnas nende kütteseadmetega suhtleb. See ei ole ainult tehniline detail; see on esimene samm sellise süsteemi loomisel, mis töötab hästi, ohutult ja aja jooksul järjepidevalt.

Pinnas liigutab soojust kolmel peamisel, üksteisest sõltuval viisil: juhtivus läbi tahkete mineraalosakeste, juhtivus läbi õhukeste veekilede, mis neid osakesi ümbritsevad, ja konvektsioon läbi õhuga täidetud {0}osakeste vaheliste ruumide. Mulla tüüp ja niiskusesisaldus, mis on kaks asja, mis kogu aeg muutuvad, mõjutavad suuresti iga mehhanismi panust. Näiteks kuival liivasel pinnasel on suured, ebaühtlased õhuruumid ja liivaterade vahel puudub otsene kontakt. Õhk ei edasta soojust väga hästi; see on umbes 100 korda vähem juhtiv kui vesi. See raskendab kuivas liivas asuvast kassettküttekehast tuleva soojuse väljumist küttekeha kestast. Soojuse kogunemine muudab küttekeha liiga kuumaks, mis võib kahjustada selle isolatsiooni, lühendada selle eluiga või põhjustada selle täieliku rikke.


Märjal savipinnal on seevastu väikesed osakesed, mis on tihedalt kokku pakitud, ja veekiled, mis on alati olemas, mis muudab selle soojusjuhtimise paremaks. Vesi toimib soojuskanalina saviosakeste vahel, võimaldades kiiret soojuse hajumist kassettkütteseadmest. Välimõõtmised näitavad järjekindlalt, et märjas savimullas töötav padrunsoojendi võib töötada 100–200 kraadi jahedamalt kui sama küttekeha, töötades samaväärse võimsusega kuivas liivases pinnases. Isegi väikesed niiskusesisalduse muutused võivad avaldada suurt mõju: näiteks mulla niiskuse 10% tõus võib selle soojusjuhtivuse kahekordistada. See näitab, kui oluline on küttesüsteemide projekteerimisel jälgida niiskuse taset.

Sellel loomulikul erinevusel pinnase termilises käitumises on oluline ja otsene mõju kassettküttekeha valikule. Kui muld suvise põua ajal läbi kuivab, võib kevadiste märgade juhtivate pinnasetingimuste jaoks sobiva suurusega kütteseade ohtlikult üle kuumeneda, kuna soojusülekande efektiivsus on madalam, jättes ümbrise ümber rohkem soojust kinni. Watt-tihedus (võimsus pinnaühiku kohta), mis töötab hästi niiskes liivsavi pinnases, kus on hea segu liivast, mudast ja savist, võib kuivas liivas, kus soojuse hajumine on väga piiratud, põhjustada kiiret ülekuumenemist ja rikkeid. Põllumajandus- ja geotermiliste projektide kogemused näitavad, et otsustava tähtsusega kavandamisviis on planeerida kõige kuivemat ja kõige vähem juhtivat pinnast, mitte keskmist. See on oluline püsivate ja hästi töötavate küttesüsteemide loomiseks.

Niiskusesisaldus ei mõjuta mitte ainult seda, kui hästi soojus liigub läbi kassettsoojendi, vaid ka seda, kui ohutu on elektrit kasutada, mis on iga kassettkütteseadme puhul väga oluline. Märg pinnas võib elektrit juhtida, eriti kui selles on lahustunud sooli, väetisi või muid kemikaale. Kui kassettküttekeha isolatsioon puruneb, nagu kest puruneb või traat kulub, võib see tekitada surmavaid maandusrikkeid. See mitte ainult ei sea inimesi šoki ohtu, vaid võib ka seadmeid lõhkuda või põhjustada kalleid seiskamisi. Niiskus kiirendab ka kerise katte korrosiooni, eriti muldadel, mida on töödeldud lämmastik-põhiste väetistega või kus on palju kloriide. Roostevabast terasest kestasid kasutatakse sageli, kuna need ei roosteta kergesti, kuid kloriidi sisaldavad väetised võivad aja jooksul tekitada täpi- ja pingekorrosioonipragusid. See nõrgestab kesta ja muudab selle vähem ohutuks ja vähem tõhusaks.

Pinnase soojusmass on veel üks oluline tegur, mis mõjutab süsteemi toimimist ja selle kontrollimist. Mullal on kõrge termiline inerts, mis tähendab, et selle soojenemine ja jahtumine võtab palju kauem aega kui metallidel või vedelikel. Kui kassettküttesüsteem seda inertsi arvesse ei võta, ei pruugi see temperatuuri stabiilsena hoida. Kiirrattasõidu-kontrollerid sobivad suurepäraselt metallide soojendamiseks, kuna kuumus liigub kiiresti ja ühtlaselt. Kuid mulla kasutamisel võivad need tekitada ohtlikke temperatuurikõikumisi, kuna pinnas ei suuda paljudele sisse-{5}}väljalülitustsüklitele kiiresti reageerida. Selle asemel muudavad proportsionaalse juhtimisega aeglasemad reageerimissüsteemid, mis muudavad väljundvõimsust tegeliku ja sihttemperatuuri erinevuse põhjal, juurtetsooni või mulla temperatuuri stabiilsemaks. See on oluline näiteks põllukultuuride soojendamiseks või geotermilise energia salvestamiseks.

Kasutamisel, mis vajab ühtlast temperatuuri suurtel aladel, nagu kaubanduslikud kasvuhooned, seemnete idanemisrajatised või kasvuperioodi pikendamiseks välispinnase soojendamine, tuleb kassettküttekehade vahekaugust hoolikalt reguleerida, et võtta arvesse pinnase termilist difusiooni, mis näitab, kui kiiresti soojus materjali kaudu levib. Isegi kui muld on märg, ei liigu kuumus väga kiiresti. See tähendab, et üksteisest liiga kaugel asuvad küttekehad võivad nende vahele jätta külmad kohad, mis muudavad kütte ebaühtlaseks ja halvendavad taimede kasvu või süsteemi efektiivsust. Insenerid kasutavad teatud pinnasetingimuste jaoks parima vahemaa leidmiseks tavaliselt termilise modelleerimise tarkvara või tegelikke{3}}maailma teste. Need peavad tasakaalustama selliseid asju nagu küttekeha võimsus, pinnase tüüp, niiskusesisaldus ja vajadus temperatuuri ühtluse järele.

Lõpuks on erinevatel aiandus- ja tööstuslikel eesmärkidel erinevad vajadused, mis muudavad küttesüsteemide kavandamise veelgi raskemaks. Kõik need vajadused sõltuvad teadmisest, kuidas muld termiliselt käitub. Näiteks vajavad seemnete idanemispeenrad mõõdukat, ühtlast soojust, tavaliselt 20–25 kraadi Celsiuse järgi, et aidata õrnadel seemikutel kasvada. See tähendab, et madala-võimsusega kütteseadmed peavad asuma lähestikku. Noorte taimede arendamiseks kasutatavad paljunduspingid võivad vajada väga täpset temperatuuri reguleerimist ±1 kraadi piires. See tähendab, et vaja on kaasaegseid andureid ja proportsionaalseid juhtimissüsteeme. Hooaja pikendamiseks mõeldud välistingimustes kasutatava pinnase soojenemine peab aga toime tulema temperatuurimuutuste, tuule, vihma ja pakasega. Vaja on kütteseadmeid, mis suudavad nendes tingimustes hakkama saada ning kompenseerivad kiireid muutusi mulla niiskuses ja õhu soojuskadus. Igas stsenaariumis sõltub edu teadmisest, et pinnas ei ole homogeenne, staatiline aine, vaid dünaamiline soojuskandja, mille omadused peavad olema iga disainiotsuse võtmeks.