Miksi lämmittimen ja astian välisellä rakolla on niin paljon merkitystä?

PTFE-lämmityslevy lämpenee, mutta astiassa olevan nesteen lämpeneminen kestää ikuisuuden. Lämmitin näyttää hyvältä. Voima on oikea. Mutta jokin pidättelee lämpöä. Usein syy on näkymätön: pienet ilmataskut levyn ja astian pohjan välissä. Tätä kutsutaan lämpökosketinresistanssiksi.
Lämpökosketusvastus syntyy kahden kosketukseen joutuneen kiinteän pinnan välistä. Kaikki aidot pinnat ovat karkeita riippumatta siitä, kuinka sileiltä ne näyttävät, ja niissä on mikrometriasteikon huipuja ja laaksoja. Näkyvää pinta-alaa kosketetaan vain osittain. Loput ovat pieniä ilmalla täytettyjä reikiä. Esimerkiksi ilma on huono lämmönjohdin, jonka lämmönjohtavuus on noin 0,026 W/m·K ympäristön lämpötilassa, suuruusluokkaa pienempi kuin metallit tai jopa itse PTFE. Lämmön on kuljettava näiden tilojen läpi suurelta osin suljetun ilman läpi johtuen, säteilyn ja joissakin tapauksissa spontaanin konvektion myötä. Tuloksena on lämpötilaero rajapinnan poikki, joka määritellään lämpökosketinresistanssiksi yksiköissä m²·K/W. Tästä resistanssista tulee pullonkaula lämpökanavassa ja se on usein hallitseva yksittäinen este tehokkaalle lämmönsiirrolle levyltä prosessinesteeseen.
Vaikutus on erityisen voimakas käytettäessä PTFE-lämmityslevyä, koska fluoripolymeeripinta on sileä ja tarttumaton, mikä on hyvä puhdistamiseen, mutta ei välttämättä takaa läheistä kosketusta. Jopa homogeeninen 0,1 mm paksuinen ilmarako voi muodostaa huomattavan vastuksen. 0,1 mm:n rako, jossa k_air ≈ 0,026 W/m·K, vaatii useiden Celsius-asteiden ΔT:n tyypillisen laboratoriolämpövirran 1–5 W/cm² ylläpitämiseksi, koska lämpövirta tyynessä ilmassa on noin q=k_air · ΔT / d. Käytännöllisissä liitännöissä johto asperiteettikoskettimien (kiinteät pisteet) kautta yhdistetään johtamiseen rakojen läpi, jolloin tuloksena on teholliset kosketusvastukset luokkaa 10-4 - 10-2 m2K/W olosuhteista riippuen. …Tämä voi johtaa siihen, että lämmityskesto on kaksi tai kolme kertaa pidempi kuin täydellinen kosketus, jolloin lämmittimen on toimittava lämpimämmin sisäisesti tai pidempään kompensoimiseksi, energian tuhlausta ja epätasaisten lämpötilojen tai ennenaikaisen kulumisen vaaraa.

Kuinka vahva tämä vastus on, riippuu useista tekijöistä. Pinnan tasaisuus on listan ensimmäinen: vääntynyt dekantterilasipohja tai hieman taipunut PTFE-levy aiheuttaa suurempia keskimääräisiä rakoja, mikä pahentaa ongelmaa. Materiaaleissa, kuten borosilikaattilasissa, voi olla luonnollinen käyrä tuotannosta, ja toistuvat kuumennusjaksot voivat pahentaa vääristymiä. Sitten on pinnan puhtaus. Ohut kalvo kuivattuja suoloja, öljyjä tai kemikaalijäämiä muodostaa ylimääräisen eristyskerroksen, joka on joskus huonompi kuin pelkkä ilma. Kosketuspaine on erittäin tärkeä, koska korkeampi paine vääristää epäpuhtauksia, lisää todellista kosketuspinta-alaa ja puristaa ilmaa ulos. Kevyempiä pulloja voi auttaa painolla tai kevyellä puristamalla, kun taas raskaampia astioita voi auttaa istumista suuremmalla voimalla johtavuuden parantamiseksi. Myös pinnan karheudella on väliä: sekä astian levyn että pohjan tulee olla sileät intiimimpään paritteluun, mutta liiallinen PTFE:n kiillotus voi aiheuttaa mikroskooppisia naarmuja, jotka vangitsevat ilman eri tavalla.
Liitännässä lämpökosketinvastus on harkittava tietoisesti. ENNEN ENSIMMÄISTÄ ​​KÄYTTÖÄ JA JOKAINEN KÄYTÖN JÄLKEEN: Tarkista molemmat pinnat. Tarkista astian pohjan tasaisuus suorareunalla. Pieninkin vääntyminen, joka havaitaan pienestä reunan alla olevasta rakosta, voi aiheuttaa suuria viiveitä. Yksinkertainen pyyhkiminen-parantaa lämmönsiirtonopeutta yleensä enemmän kuin lämmittimen tehon nostaminen. Puhdista perusteellisesti sopivilla liuottimilla tai miedoilla pesuaineilla. Poista mittakaava tai kalvo-, jonka kokemus osoittaa. Jos astiat ovat liian kevyitä painaakseen alas tiukasti, voit asettaa päälle -johtamattoman painon tai lasitavaroita varten tehdyn pehmeän puristimen, mutta varmista, ettet paina liian lujasti ja särke säiliötä. Älä käytä hankaavia hankaustyynyjä PTFE-pinnalla. Pinnan naarmut lisäävät karheutta ja voivat pidättää hiukkasia, jotka voivat heikentää kosketusta ajan myötä.
Vaativiin sovelluksiin, joissa pienilläkin parannuksilla on merkitystä, ohut kerros lämpöä johtavaa tahnaa tai rasvaa voi täyttää mikroskooppiset tilat ja parantaa merkittävästi johtavuutta. Nämä lämpörajapintamateriaalit (TIM) ovat yhdisteitä, joiden johtavuus on 0,3-5 W/m·K ilman korvaamiseksi, mutta materiaalin valinta on ratkaisevan tärkeää. Sen on oltava kemiallisesti inerttiä prosessille ja ei--vaeltavaa, ja sitä on käytettävä säästeliäästi, jotta vältytään saastumiselta tai sotkulta astiassa. Paras silikonittomien tai fluorattujen rasvojen kanssa syövyttäviä laboratorioita varten. Testaa aina ensin yhteensopivuus, jotkin tahnat vahingoittavat PTFE:tä tai jättävät jäämiä.
Ajattele aukkoa tietullikoppina valtatiellä- jokainen ilmatasku hidastaa lämpöä ja mitä enemmän kopeja (tai suurempia aukkoja) on, sitä pahempi liikenneruuhka. Lämmittimen-aluksen kosketus on ylivoimaisesti vaihtelevin osa koko lämpöpolulla, paljon arvaamattomampi kuin levyn sisäkerrokset tai nesteen konvektio sisällä. Käyttäjät voivat parantaa lämmitysnopeutta, lämpötilan tasaisuutta ja energiankulutusta korostamalla tasaisuutta, puhtautta ja riittävää kosketuspainetta. Tämä pätee kaikkiin johtumispohjaisiin lämmitysjärjestelmiin laboratoriolevyistä teollisuuslevyihin. Rajapullonkaula on usein kokonaissuorituskyvyn kannalta tärkeämpi kuin itse lämmönlähde. Muutaman minuutin perusteellinen valmistelu käyttöliittymässä tuottaa tulosta koko prosessin ajan.