Ako ovplyvňuje farba plášťa PFA (prírodná vs. čierna pigmentovaná) absorpciu sálavého tepla v inštaláciách s otvoreným-vzduchom?

Ohrievacie plášte PFA sú ponúkané v dvoch štandardných farebných prevedeniach: prírodná (priesvitná, sivo{0}}biela) a čierna pigmentovaná (uhlíková{1}}plná). Ak je ohrievač úplne ponorený, farba ohrievača nemá žiadny zistiteľný vplyv na jeho účinnosť, pretože konvekcia je dominantným spôsobom prenosu tepla a akákoľvek sálavá energia je absorbovaná okolitou kvapalinou skôr, ako sa dostane do plášťa. V-aplikáciách pod holým nebom-, ako sú infračervené sálavé ohrievače, ohrievače vzduchového potrubia alebo ohrievače nad hladinou kvapaliny v čiastočne naplnených nádržiach- má farba hlavný vplyv na množstvo sálavej energie, ktorú plášť PFA absorbuje z okolia alebo do neho vyžaruje. Čierna pigmentovaná PFA absorbuje 85-95 % dopadajúceho IR. Prirodzené PFA prenáša 60-80 % dopadajúceho infračerveného žiarenia cez plášť a väčšinu zvyšku odráža. Tento rozdiel ovplyvňuje tri praktické dôsledky: čas zahrievania ohrievača z okolia, jeho rovnovážnu teplotu pri vonkajších zdrojoch žiarenia a tepelné namáhanie na rozhraní PFA-kov.

Absorpčné a prenosové charakteristiky závislé od vlnovej dĺžky
The optical properties of PFA rely upon the presence of the carbon black pigment (normally 1-3% by weight) and the wavelength of incident radiation. Natural PFA has good transparency (70–85 %) and low absorption for ultraviolet (UV) and visible light (300–700 nm). The material looks translucent because the light is scattered by the floating crystallites, not absorbed. Black coloured PFA has absorption >90 % v celom UV-viditeľnom-IR spektre. Je to vďaka uhlíkovým časticiam, ktoré sú účinnými širokopásmovými absorbérmi. V oblasti blízkeho -infračerveného žiarenia (700 – 2 500 nm), relevantnej oblasti pre tepelné ohrievanie stien horúcej nádrže alebo susedných ohrievačov, zostáva prirodzené PFA do značnej miery transparentné s priepustnosťou 40 – 60 % a odrazivosťou 15 – 25 %. Zvyšných 20–35 % absorbuje samotný polymér, väčšinou podtónmi vibrácií väzby uhlík-fluór. Čierna PFA v rovnakom pásme NIR absorbuje 85-92% so zanedbateľnou priepustnosťou cez hrúbku steny 1,5 mm.

Stredné- a vzdialené-infračervené žiarenie (2 500 – 15 000 nm) zodpovedá tepelnému vyžarovaniu objektov v rozsahu 50 – 300 stupňov. V tomto rozsahu sú oba materiály veľmi absorpčné, pretože vlnové dĺžky zodpovedajú základným molekulárnym vibráciám. Prirodzené PFA absorbuje pri týchto vlnových dĺžkach 70-80 %. Čierna PFA absorbuje 90-95 %. Farba je z praktického hľadiska najdôležitejšia, keď je ohrievač vystavený zdrojom žiarenia so špičkovými emisnými vlnovými dĺžkami pod 2 500 nm. Ide o slnečné žiarenie (špička 500 nm), žiarovky (1 000 – 2 000 nm) alebo horúce kovové povrchy nad 300 °C (špičkové emisie<5,000 nm). In common industrial open-air installations with an ambient temperature of 20–50°C and no hot items in the vicinity, the difference between natural and black PFA is minimal, since the primary route of heat transfer is convection to air and not radiation absorption.

Vonkajší výkon a solárne zaťaženie inštalácie
V prípade ohrievačov PFA používaných vonku alebo v slnečných oblastiach je farba dôležitým faktorom pri určovaní rovnovážnej teploty plášťa, keď je ohrievač de{0}}bez energie. 70-80 % dopadajúceho slnečného svetla (spektrum AM1,5, vrchol 1 000 W/m 2) sa prenáša cez polymér do kovového jadra pod ním cez prírodný plášť PFA. Prenesená energia je absorbovaná čiernym kovovým jadrom, ktoré sa zahrieva a odovzdáva teplo späť do PFA. Rovnovážna teplota približne 45-50 stupňov C sa dosiahne v prírodnom ohrievači PFA na plnom slnku pri teplote okolia 30 stupňov C a bez vnútornej elektriny. Čierny pigmentovaný ohrievač PFA absorbuje slnečnú energiu priamo na vonkajšom povrchu a dosahuje rovnovážnu teplotu 65-75 stupňov za rovnakých podmienok - o 20-25 stupňov teplejšie. Tento rozdiel je dôležitý z dvoch dôvodov. Po prvé, vyššia základná teplota čierneho PFA zvyšuje tepelné namáhanie v nasledujúcich cykloch zapnutia. Napríklad čierny ohrievač začínajúci na 70 C stačí vyšplhať na 80 C, aby sa dostal na prevádzkovú teplotu 150 C. Prirodzený ohrievač začínajúci na 50 C musí zvýšiť 100 C. To znamená o 20 % menšie napätie pri tepelnej rozťažnosti v čiernom materiáli. Po druhé, vyššia teplota pri voľnobehu čierneho PFA zvyšuje akýkoľvek chemický útok atmosférických kontaminantov (kyslé hmly, výpary chlóru), pretože rýchlosť reakcie sa zvyšuje zhruba dvojnásobne na každých 15 až 20 stupňov zvýšenia teploty. Natural PFA má dlhšiu životnosť vo vonkajších inštaláciách v chemicky náročných podmienkach z dôvodu nižšej absorpcie slnečného žiarenia.

V noci alebo v tieni je efekt slnečného ohrevu obrátený. Prirodzená PFA je transparentnejšia pre tepelné žiarenie, a preto vyžaruje menej efektívne pri dlhých vlnových dĺžkach. Merania radiačného chladenia naznačujú, že prirodzený ohrievač PFA na jasnej nočnej oblohe sa ochladí o 5-8 stupňov pod okolitú teplotu, zatiaľ čo čierny ohrievač PFA klesne iba o 2-3 stupne pod teplotu okolia. Pri aplikáciách v chladných oblastiach, kde ohrievač musí udržiavať minimálnu teplotu, aby sa zabránilo kondenzácii alebo zamrznutiu, silnejšie sálavé chladenie prirodzeného PFA pôsobí proti operátorovi a vyžaduje dodatočnú energiu na udržanie požadovanej hodnoty.

Sprievodca výberom farieb pre prostredie inštalácie
Inštalačné prostredie Dominantný režim prenosu tepla Odporúčaná PFA Farba Hlavný dôvod
Úplne ponorené do kvapaliny (akejkoľvek farby kvapaliny) Konvekcia (buď nútená alebo prirodzená) Buď (bez rozdielu) Výmena tepla je dominantná v kvapaline; na farbe nezáleží
Otvorený vzduch v interiéri, žiadne slnečné svetlo, žiadne horúce povrchy zavrieť Prirodzená konvekcia vzduchu Buď Výmena sálavého žiarenia menšia; farebný rozdiel<2°C
Open air indoor, next to hot tank wall (>150 stupňov )Horúca stena + konvekcia Prírodná (priehľadná) Čierna absorbuje extra sálavé teplo, čím zvyšuje teplotu plášťa 10-20 stupňov
Vonkajšie, priame slnečné svetlo, mierne prostredie (okolie 20-35 stupňov) Slnečné žiarenie + konvekcia Prirodzené Znižuje pokojovú teplotu o 15-25 stupňov; obmedzuje solárne vykurovanie
Open air, direct sun, hot environment (>Okolitá teplota 40 C)Slnko + konvekcia Čierny, zrkadlový štít Prirodzené stále teplo z prenášaného slnečného žiarenia Namiesto toho použite štít
Ohrievač ako zdroj sálavého žiarenia, vonkajší tienený alebo vnútorný Čierna cielená infračervená emisiaVyššia emisivita (0,92 oproti . 0.75 pre prirodzené) zvyšuje účinnosť
Agresívne prostredie (kyslá hmla, chlór) Znížená teplota povrchu pri voľnobehu znižuje rýchlosť chemického napadnutia Akýkoľvek prírodný
Studená klíma, ohrievač udržuje minimálnu teplotu (bez zamŕzania) Čierna Prirodzená konvekcia Znižuje nočné chladenie sálaním 2-3 % zníženie tepelných strát
Ohrievač viditeľný pre obsluhu (bezpečnostný problém) Akákoľvek prirodzená (priesvitná) čierna môže vyzerať „spálená“, aj keď funguje správne
Záver: Ponorenie zabíja farebné rozdiely Výber pod holým nebom
Keď je plášť ohrievača PFA úplne ponorený, farba nemá žiadny pozorovateľný vplyv na výkon, životnosť alebo účinnosť, pretože prenosu tepla dominuje konvekcia a okolitá kvapalina bráni výmene žiarenia. Pri inštaláciách na voľnom priestranstve sa pre väčšinu vonkajších a chemicky agresívnych situácií uprednostňuje prírodný (priesvitný) PFA kvôli jeho zníženej absorpcii slnečného žiarenia, čo má za následok nižšiu pokojovú teplotu a zníženie chemického napadnutia. Čierna pigmentovaná PFA je výhodou iba vtedy, ak sa ohrievač má použiť ako IR ohrievač alebo je inštalácia zatienená a mierne vyššia emisivita zvyšuje prenos tepla do cieľa. V prípade čiastočne ponorených ohrievačov,-ktoré majú hornú časť vystavenú vzduchu-rozhodnutie o farbe by malo závisieť od prostredia exponovanej oblasti. Prírodný ohrievač PFA s čiernou farbou alebo páskou vo vzduchovej zóne je kompromis, ktorý je zriedka opodstatnený. Prirodzená farba je najbezpečnejšou predvolenou špecifikáciou pre všeobecné-univerzálne otvorené{8}}ohrievače PFA, pričom čierna je zachovaná pre konkrétne aplikácie sálavého vykurovania, kde je základným konštrukčným parametrom emisia, nie absorpcia.