In che modo il colore della guaina in PFA (naturale o pigmentata nera) influisce sull'assorbimento del calore radiante nelle installazioni-all'aperto?

Le guaine riscaldanti in PFA sono offerte in due versioni di colore standard: naturale (traslucido, bianco sporco) e pigmentato nero (caricato con carbonio-). Se un riscaldatore è completamente immerso, il colore del riscaldatore non ha alcun effetto rilevabile sulla sua efficacia poiché la convezione è la modalità dominante di trasferimento del calore e qualsiasi energia radiante viene assorbita dal liquido circostante prima che possa raggiungere la guaina. Nelle-applicazioni all'aria aperta-come riscaldatori radianti a infrarossi, riscaldatori per condotti d'aria o riscaldatori sopra la superficie del liquido in serbatoi parzialmente riempiti-il colore ha un effetto importante sulla quantità di energia radiante assorbita dalla guaina in PFA dall'ambiente circostante o emessa ad esso. Il PFA pigmentato nero assorbe l'85-95% degli IR incidenti. Il PFA naturale trasmette il 60-80% degli IR incidenti attraverso la guaina e riflette la maggior parte del resto. Questa differenza influenza tre conseguenze pratiche: il tempo di riscaldamento del riscaldatore dall'ambiente, la sua temperatura di equilibrio sotto fonti di radiazioni esterne e lo stress termico all'interfaccia PFA-metallo.

Caratteristiche di assorbimento e trasmissione dipendenti dalla lunghezza d'onda
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% sull'intero spettro UV-visibile-IR. Ciò è dovuto alle particelle di carbonio che sono efficienti assorbitori a banda larga. Nell'intervallo di radiazione del vicino-infrarosso (700–2.500 nm), la regione rilevante per il riscaldamento termico delle pareti calde del serbatoio o dei riscaldatori vicini, il PFA naturale rimane tuttavia in gran parte trasparente con una trasmittanza del 40–60% e una riflettanza del 15–25%. Il restante 20–35% viene assorbito dal polimero stesso, principalmente dalle sfumature delle vibrazioni del legame carbonio-fluoro. Il PFA nero nella stessa banda NIR assorbe l'85-92% con una trasmissione trascurabile attraverso uno spessore della parete di 1,5 mm.

Il medio- e il lontano-infrarosso (2.500–15.000 nm) corrispondono all'emissione termica di oggetti nell'intervallo di 50–300 gradi. In questo intervallo entrambi i materiali sono molto assorbenti, poiché le lunghezze d'onda corrispondono alle vibrazioni molecolari fondamentali. Il PFA naturale assorbe a queste lunghezze d'onda il 70-80%. Il PFA nero assorbe il 90-95%. Il colore è molto importante, in termini pratici, quando il riscaldatore è esposto a sorgenti radianti con lunghezze d'onda di picco di emissione inferiori a 2.500 nm. Cioè la luce del sole (picco 500 nm), luci a incandescenza (1.000-2.000 nm) o superfici metalliche calde con temperatura superiore a 300°C (picco di emissione<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.

Prestazioni esterne e carico solare dell'installazione
Per i riscaldatori in PFA utilizzati all'esterno o in regioni soleggiate, il colore è una considerazione importante per determinare la temperatura di equilibrio della guaina quando il riscaldatore è diseccitato. 70-80% della luce solare incidente (spettro AM1,5, picco di 1.000 W/m 2) viene trasmessa attraverso il polimero al nucleo metallico sottostante tramite una guaina in PFA naturale. L'energia trasferita viene assorbita dal nucleo in metallo nero, che si riscalda e trasferisce il calore al PFA. Una temperatura di equilibrio di circa 45-50 gradi C viene raggiunta in un riscaldatore PFA naturale in pieno sole a 30 gradi C ambientali e senza elettricità interna. Un riscaldatore in PFA pigmentato nero assorbe l'energia solare direttamente sulla superficie esterna raggiungendo una temperatura di equilibrio di 65-75 gradi nelle stesse condizioni: 20-25 gradi più calda. Questa divergenza è importante per due ragioni. Innanzitutto, la temperatura di base più elevata del PFA nero aumenta lo stress termico nei successivi cicli di accensione. Ad esempio, un riscaldatore nero che inizia a 70°C deve solo salire di 80°C per raggiungere la temperatura operativa di 150°C. Un riscaldatore naturale che inizia a 50°C deve aumentare di 100°C. Ciò significa il 20% in meno di stress da dilatazione termica nel materiale nero. In secondo luogo, la temperatura di inattività più elevata del PFA nero potenzia qualsiasi attacco chimico da parte di contaminanti atmosferici (nebbie acide, vapori di cloro) poiché la velocità di reazione aumenta all'incirca di un fattore due per ogni aumento di 15-20 gradi della temperatura. Il PFA naturale ha una durata di servizio più lunga nelle installazioni esterne in condizioni chimicamente impegnative grazie al suo minore assorbimento solare.

Di notte o all'ombra l'effetto termico del sole viene invertito. Il PFA naturale è più trasparente alla radiazione termica e quindi emette in modo meno efficiente a lunghe lunghezze d'onda. Le misurazioni del raffreddamento radiativo indicano che un riscaldatore PFA naturale in un cielo notturno limpido si raffredderà fino a 5-8 gradi sotto la temperatura ambiente, mentre un riscaldatore PFA nero scenderà solo a 2-3 gradi sotto la temperatura ambiente. Per le applicazioni in aree fredde in cui il riscaldatore deve mantenere una temperatura minima per prevenire la formazione di condensa o il congelamento, il raffreddamento radiativo più forte del PFA naturale va a svantaggio dell'operatore, richiedendo energia aggiuntiva per mantenere il setpoint.

Guida alla selezione dei colori per l'ambiente di installazione
Ambiente di installazione Modalità di trasferimento del calore dominante PFA consigliato ColoreMotivo principale
Completamente immerso nel liquido (liquido di qualsiasi colore) Convezione (forzata o naturale) Entrambi (nessuna differenza) Lo scambio di calore è dominante nel liquido; il colore non ha importanza
All'aria aperta in ambienti chiusi, senza luce solare, senza superfici calde vicine Convezione naturale con l'aria Entrambi Scambio radiante minore; differenza di colore<2°C
Open air indoor, next to hot tank wall (>150 gradi) Parete calda + convezione Naturale (trasparente) Il nero assorbe il calore radiante extra, aumentando la temperatura della guaina di 10-20 gradi
All'aperto, luce solare diretta, ambiente temperato (20-35 gradi ambiente) Radiazione solare + convezione Naturale Diminuisce la temperatura di inattività di 15-25 gradi; limita il riscaldamento solare
Open air, direct sun, hot environment (>40 C ambiente) Solare + convezione Scudo nero a specchio Calore naturale fermo derivante dalla trasmissione solare Utilizzare invece lo scudo
Riscaldatore come fonte radiante, all'esterno ombreggiato o al chiusoEmissione IR mirata neraL'emissività superiore (0,92 rispetto a. 0.75 per quella naturale) aumenta l'efficienza
Ambiente aggressivo (nebbia acida, cloro) La ridotta temperatura superficiale al minimo diminuisce il tasso di attacco chimico Qualsiasi Naturale
Clima freddo, il riscaldatore mantiene la temperatura minima (senza congelamento) Nero Convezione naturale Riduce il raffreddamento radiativo notturno Riduzione del 2-3% della perdita di calore
Riscaldatore visibile agli operatori (problema di sicurezza) Qualsiasi nero naturale (traslucido) può sembrare "bruciato" anche se funziona correttamente
Conclusione: l'immersione uccide le differenze di colore L'aria aperta richiede scelta
Quando una guaina riscaldante in PFA è completamente immersa, il colore non ha alcun effetto osservabile su prestazioni, durata o efficienza poiché la convezione domina il trasferimento di calore e il liquido circostante ostacola lo scambio radiante. Per le installazioni all'aperto, il PFA naturale (traslucido) è preferito per la maggior parte delle situazioni esterne e chimicamente aggressive grazie al suo ridotto assorbimento della radiazione solare, che si traduce in una temperatura di inattività inferiore e in un ridotto attacco chimico. Il PFA pigmentato nero è un vantaggio solo se il riscaldatore deve essere utilizzato come riscaldatore IR o se l'installazione è ombreggiata e l'emissività leggermente superiore migliora il trasferimento di calore al bersaglio. Per i riscaldatori parzialmente sommersi-quelli con la sezione superiore esposta all'aria-la decisione sul colore dovrebbe dipendere dall'ambiente della regione esposta. Un riscaldatore in PFA naturale con un'area verniciata di nero o nastrata nella zona dell'aria è un compromesso raramente giustificato. Il colore naturale è la specifica predefinita più sicura per i riscaldatori PFA all'aperto-per uso generale-ad aria, mentre il nero viene mantenuto per particolari applicazioni di riscaldamento radiante in cui l'emissività, e non l'assorbimento, è il parametro di progettazione essenziale.