Per què és tan important la bretxa entre l'escalfador i el recipient?

La placa calefactora de PTFE s'escalfa, però el líquid del recipient triga una eternitat a escalfar-se. L'escalfador té bona pinta. El poder és correcte. Però alguna cosa manté la calor. Sovint la causa és invisible: petites bosses d'aire entre la placa i el fons del vaixell. Això es coneix com a resistència de contacte tèrmic.
La resistència al contacte tèrmic s'origina entre dues superfícies sòlides posades en contacte. Totes les superfícies genuïnes són rugoses, per molt suaus que semblin, amb cims i valls a escala micròmetre. La superfície aparent només es toca parcialment. La resta són petits forats plens d'aire. Per exemple, l'aire és un mal conductor de la calor amb una conductivitat tèrmica d'aproximadament 0,026 W/m·K a temperatura ambient, ordres de magnitud inferiors als metalls o fins i tot al propi PTFE. La calor ha de viatjar a través d'aquests espais en gran part per conducció a través de l'aire confinat, amb aportacions lleus de radiació i en determinats casos per convecció espontània. El resultat és una diferència de temperatura a través de la interfície, que es defineix com la resistència de contacte tèrmic en unitats de m²·K/W. Aquesta resistència es converteix en un coll d'ampolla al canal tèrmic i sovint és l'obstacle únic dominant per a la transferència efectiva de calor de la placa al fluid de procés.
L'efecte és especialment pronunciat quan s'utilitza una placa d'escalfament de PTFE, ja que la superfície del fluoropolímer és llisa i no -adherent, cosa que és bona per netejar, però no necessàriament garanteix un contacte íntim. Fins i tot un espai d'aire homogeni de 0,1 mm de gruix pot suposar una resistència considerable. Un buit de 0,1 mm amb k_air ≈ 0,026 W/m·K requereix un ΔT de diversos graus centígrads per mantenir un flux tèrmic típic de laboratori d'1–5 W/cm², perquè el flux de calor a través de l'aire quiet és aproximadament q=k_air · ΔT / d. En les interfícies pràctiques, la conducció a través dels contactes d'asperitat (punts sòlids) es combina amb la conducció a través dels buits, donant lloc a resistències de contacte efectives de l'ordre de 10-4 a 10-2 m2K/W segons les condicions. …Això pot provocar que les durades d'escalfament siguin dues o tres vegades més llargues que el contacte perfecte, la qual cosa requereix que l'escalfador funcioni més calent internament o més temps per compensar, malgastant energia i arriscant a temperatures desiguals o a un desgast prematur.

La força d'aquesta resistència depèn de diversos factors. La planitud de la superfície és la primera a la llista: un fons del vas de precipitat deformat o una placa de PTFE lleugerament inclinada provoca espais mitjans més grans, cosa que amplifica el problema. Els materials com el vidre de borosilicat poden tenir una corba natural de producció i els cicles d'escalfament repetits poden empitjorar la distorsió. Després hi ha la neteja de la superfície. Una fina pel·lícula de sals seques, olis o residus químics crea una capa aïllant addicional que de vegades és pitjor que l'aire sol. La pressió de contacte és molt important, ja que la pressió més alta distorsionarà les asperitats, augmentant l'àrea de contacte real i esprémer l'aire. Els flascons més lleugers es poden ajudar amb el pes o amb una subjecció suau, mentre que els contenidors més pesats es poden ajudar asseguts amb més força per millorar la conductivitat. La rugositat de la superfície també és important: tant la placa com el fons del recipient han de ser llis per a un aparellament més íntim, però un poliment excessiu de PTFE pot provocar rascades microscòpiques que atrapen l'aire de manera diferent.
A la interfície, s'ha de considerar deliberadament la resistència de contacte tèrmic. ABANS DEL PRIMER ÚS I DESPRÉS DE CADA ÚS: Inspeccioneu ambdues superfícies. Comproveu la planitud del fons del vaixell amb una regla. Fins i tot la més petita deformació, detectable per un petit espai sota la vora, pot provocar retards importants. Una simple neteja-normalment millora més la velocitat de transferència de calor que augmentar la potència de l'escalfador, netejar-la a fons amb dissolvents adequats o detergents suaus. Elimina qualsevol escala o demostració-de l'experiència cinematogràfica. Per als vaixells massa lleugers per empènyer-los amb fermesa, podeu col·locar un pes no-conductor a la part superior o una pinça suau feta per a cristalleria, però assegureu-vos de no pressionar massa i trencar el recipient. No utilitzeu fregalls abrasives a la superfície de PTFE. Les ratllades a la superfície augmenten la rugositat i poden retenir partícules, que poden degradar el contacte amb el temps.
Per a aplicacions exigents on fins i tot les petites millores compten, una capa fina de pasta o greix tèrmicament conductora pot omplir espais microscòpics i millorar dràsticament la conductivitat. Aquests materials d'interfície tèrmica (TIM) són compostos de conductivitats de 0,3-5 W/m·K per substituir l'aire, però l'elecció del material és crucial. Ha de ser químicament inert al procés i no -migrar, i s'ha d'utilitzar amb moderació per evitar la contaminació o l'embolic al recipient. El millor amb greixos sense silicona o fluorats per a laboratoris corrosius. Comproveu sempre la compatibilitat primer, algunes pastes danyaran el PTFE o deixaran residus.
Penseu en la bretxa com una caseta de peatge en una autopista- cada bossa d'aire frena la calor i com més cabines (o espais més grans) pitjor serà l'embolic del trànsit. El contacte del recipient-escalfador és, amb diferència, l'aspecte més variable de tota la trajectòria tèrmica, molt més impredictible que les capes internes de la placa o la convecció del fluid a l'interior. Els operadors poden millorar la velocitat de calefacció, la uniformitat de la temperatura i el consum d'energia posant èmfasi en la planitud, la neteja i la pressió de contacte suficient. Això és cert per a tots els sistemes de calefacció basats en conducció, des de plaques calents de laboratori fins a plaques industrials. El coll d'ampolla del límit sovint és més important per al rendiment total que la pròpia font de calor. Uns minuts de preparació exhaustiva a la interfície donen dividends durant tot el procés.