Kuhu kaob energia?

"PTFE-kütteplaat kasutab elektrit ja anum soojeneb. Aga kas kogu elektrienergia muudetakse kasutatavaks soojuseks? Osa läheb tee ääres kaduma. "Kui palju soojust kaob ja kuhu see läheb? Kuidas saab hästi kavandatud küttekeha minimeerida kadusid, et anda protsessi rohkem soojust? Täieliku energiatsükli tundmine aitab selgitada, miks teatud küttesüsteemid töötavad tõhusalt ja mõned näivad raiskavat energiat.

Elektrienergiast soojusenergiaks
Protseduur algab kohe, kui elektrivool läbi toitekaabli kütteseadmesse voolab. Elektrienergiat kantakse pinge ja voolu kujul. Üldvõimsust mõõdetakse vattides. See energia ei jää kauaks elektriliseks. Kütteplaati läbiv vool läbib takistusliku elemendi, mille eesmärk on muuta elektrienergia soojuseks.

Teisendus ise järgib lihtsat füüsikaseadust:

P=I2RP=I^{2}RP=I2R

Tõhusus on sel hetkel erakordselt hea. Peaaegu kogu elekter muundatakse elemendis soojuseks. Puudub mehaaniline liikumine, põlemine ja energia muundamise vaheetapp. Tehnika on peaaegu 100% tõhus lihtsalt elektrilises mõttes. Kuid probleem ei ole selles, kui tõhusalt võimsus soojuseks muudetakse, vaid selles, kui hästi see soojus protsessile üle kantakse.

Soojuse areng elemendis
Niipea, kui vool hakkab voolama, soojeneb kütteelement kiiresti. Energia on nüüd täiesti termiline, kuid on siiski koondunud väga väikesesse metallikogusse. Seejärel tuleb soojus välja kanda läbi küttekeha sisekonstruktsiooni.

Osa soojusest salvestub ajutiselt elemendi soojusmassis ja ümbritsevas isolatsioonis. See ei ole püsiv kadu, vaid ainult küttekeha reageerimiskiiruse kadu. Suurema soojusmassiga kütteplaadi soojenemine võib veidi aega võtta, kuid kui see on pidevas töös, kiirgab peaaegu kogu selle toodetud soojus edasi.

Juhtivus isolatsioonikihis
Kütteelement on ümbritsetud isolaatoriga, mis kaitseb elektriosi ja aitab soojust ühtlasemalt hajutada. Element kuumeneb ja soojus liigub läbi selle isolatsiooni PTFE väliskestani. Isolatsioon ei kasuta küll kogu aeg energiat, küll aga aeglustab soojuse liikumist. Praktikas tähendab see, et kütteseade ei pruugi anda kohe täisvõimsust, eriti käivitamise ajal.

See tase on efektiivsuse seisukohast endiselt väga tõhus. Soojus ei lähe kaduma. See läbib lihtsalt kontrollitud teed. Hea isolatsioonikonstruktsioon aitab soojust ühtlaselt jaotada, et kogu PTFE pind saaks energiat anumasse ühtlasemalt üle kanda.

Juhtivus PTFE kestas
Järgmine kiht on PTFE väliskest, mis täidab kahte funktsiooni. See kaitseb kütteelementi söövitavate kemikaalide eest ja toimib ka lõpliku soojuskanalina küttekehast anumani. PTFE on keemiliselt inertne, kuid sellel on väga madal soojusjuhtivus, mistõttu kesta paksus mõjutab otseselt soojusülekannet.

Mida paksem on PTFE kiht, seda parem on kaitse, kuid seda aeglasem on soojusülekanne (veidi). Seetõttu tasakaalustavad disainerid hoolikalt keemilise vastupidavuse ja termilise jõudluse. Kuid siiski jõuab suurem osa küttekeha sees toodetud soojusest välispinnale. Kest põhjustab harva suurt energiakadu, kuid see mõjutab anuma soojusjuhtivuse kiirust.

Otsustav samm: soojusülekanne laevale
Tihtipeale ei teki suurimad efektiivsuse kaod mitte küttekehas endas, vaid kerise ja anuma kokkupuutel. Soojus peab minema PTFE pinnalt paagi või mahuti põhja ja see ülekanne sõltub suuresti füüsilisest kontaktist.

Kui anuma põhi on täiesti tasane ja seal on täielik kontakt kütteplaadiga, läheb soojus tõhusalt metalli. Kuid isegi väikesed õhuvahed võivad olla soojustõkked. Õhk on äärmiselt halb soojusjuht, mistõttu pindadevaheline tühimik võib oluliselt vähendada efektiivset soojusülekannet. Praktiliselt ei ole peamine potentsiaalne kadu küttekeha sees, vaid kontaktpinnal.

Seetõttu võivad kaks identset kütteseadet sõltuvalt nende paigutusest väga erinevalt toimida. Õigesti paigaldatud, hästi-kontaktis olev plaat kannab suurema osa oma energiast otse anumasse, samas kui halvasti paigaldatud plaat võib kaotada suure osa soojusest ümbritsevasse õhku.

Laevast protsessini
Kui anumasse siseneb soojust, peab see jõudma protsessikeskkonda. Anum neelab osa energiast, samas kui ülejäänud soojus soojendab selles sisalduvat vedelikku või materjali. Sel hetkel võib kiirguse ja konvektsiooni tõttu esineda täiendavaid kadusid anuma seintelt. Kaod ei ole küttekeha enda süü, vaid kogu süsteemi konstruktsioon.

Anuma isoleerimine võib suurendada üldist tõhusust. Kui vältida soojuskadu ümbritsevasse keskkonda, muundatakse suurem osa elektrienergiast sinna, kus seda vaja on: protsessikeskkonnas.

Kuidas disainiotsused tõhusust parandavad
Hästi ehitatud PTFE-kütteplaadi eesmärk on minimeerida sisekadusid ja maksimeerida soojusülekannet välispinnale. See saavutatakse ühtsete küttekomponentide, optimeeritud isolatsiooni ja kesta paksuse hoolika valikuga. Kuid ka paigaldusel ja operaatoril on suur mõju. Õige paigutus ja puhtad, tasased paigalduspinnad võivad tõhusust oluliselt muuta ilma kütteseadet muutmata.

Samuti on oluline valitud võimsustase. Kui kütteseade on liiga suur, võidakse anumat kiiresti soojendada ja seejärel pidevalt sisse ja välja lülitada, mis vähendab üldist tõhusust ja suurendab termilist stressi. Õige suurusega kütteseade töötab sujuvamalt ja muudab energia ühtlasemaks.

Abstraktne
Protsess hõlmab mitmeid etappe alates võimsusest kuni kasutatava protsessisoojustuseni. Element on väga hea elektrienergia muundamiseks soojuseks. Seejärel läheb see soojus läbi isolatsiooni, PTFE kesta ning anumasse ja sisu. Suurem osa kadudest ei ole küttekehas endas, vaid kerise ja anuma vahelises liideses ning anumast eemale ümbritsevasse kiirguvas soojuses.

Valdav enamus elektrienergiast toodab tõhusa küttekeha projekteerimise ja paigaldamise protsessis kasutatavat soojust. Kõrge efektiivsuse saavutamine sõltub seega seadmete projekteerimisest ja nõuetekohasest paigaldamisest, eeldusest, mis kehtib kõigi soojusenergiasüsteemide puhul.