Hvaða þýðingu hefur hitadreifni við val á hitaplötuefni fyrir hringlaga notkun?

Breyting á hitastigi plötunnar hefur bein áhrif á framleiðni ferla eins og hitamótun, samsett mótun eða hvaða ferli sem felur í sér endurteknar upphitunar- og kælingarlotur. Varmaleiðni lýsir hluta af frásögninni á meðan varmadreifing gefur fullkomnari mynd af skammvinnri hitasvörun. Í hringlaga notkun getur val á hitaplötuefni með mikilli hitadreifingu leitt til verulegrar lækkunar á hringrásartíma og orkunotkun.

Varmadreifing: hversu fljótt efni bregst við hitabreytingum
Thermal diffusivity ( ) er efniseiginleiki sem einkennir hversu hratt efni getur breytt hitastigi sínu til að bregðast við breytingum á umhverfi sínu. Það hefur þrjá grunneiginleika samanlagt:

=k/ρ*Cp

Hvar:

k=hitaleiðni (W/m K)

ρ=þéttleiki (kg/m3)

Cp=sérvarmageta J/kg.K

Teljarinn (k) er hæfileikinn til að leiða varma. Nefnari (Cp) er rúmmálshitagetan, sem er varmaorkan sem þarf til að hækka hitastig rúmmálseininga um eina gráðu. Varmadreifing er því mælikvarði á hraðann sem varmi dreifist í gegnum efni í samanburði við orkumagnið sem þarf að gleypa til að breyta hitastigi þess.

Mikið dreifni þýðir að efnið hitnar og kólnar hratt, en lágt dreifni gefur til kynna hitauppstreymi.

Varmadreifing dæmigerðra hitaplötuefna
Eftirfarandi tafla ber saman hitadreifingu fyrir efni sem almennt eru notuð í hitunarplötur, plötur og pressuflötur:

Efni Conductivité thermique (W/m·K) Þéttleiki (kg/m³) Chaleur spécifique (J/kg·K) Conductivité thermique (mm²/s) Vitesse hlutfallslegur Cuivre (pur) ~400 8960 385 ~116 Très rapide
Ál (6061-T6) ~167 2700 896 ~69 Hratt ál (5083) ~120 2660 900 ~50 Miðlungs-hratt
Stál (kolefnislítið) ~50 7850 460 ~13,8 Hægt
Ryðfrítt stál (304) ~16 8000 500 ~4.0 Mjög tregt
Títan (2. bekk) ~17 4510 520 ~7.2 Hægt
Athugið: Gildi eru áætluð og sveiflast nokkuð með málmblöndu og hitastigi.

Álblöndur hafa hitadreifingargildi á bilinu 50-100 mm²/s, en ryðfrítt stál er um 4 mm²/s. Þetta þýðir að álplatan mun bregðast við breytingum á hitarafli eða kæliflæði um 10-20 sinnum hraðar en ryðfrítt stálplata af sömu þykkt.

Af hverju er hitadreifing mikilvægt fyrir hringlaga notkun?
Í hringlaga upphitunarferlum eins og hitamótun, þjöppunarmótun, hitaþéttingu eða lagskiptum, er plötunni eða hitunarplatan hjóluð frá lægra hitastigi að settpunkti, haldið í vinnslutímabil og síðan kælt niður í lægra hitastig fyrir næstu lotu. Allur hringrásartíminn er samtals:

Ramp-upp (hitunartími)

Tími til að halda eða liggja í bleyti

Rampa-niður (kælitími)

Meðhöndlun efnistíma

Öll minnkun á upphitunar- eða kælitíma eykur beint afköst og lágmarkar orkunotkun á hluta.

Efni með mikla hitadreifingu mun gera plötunni kleift að ná æskilegu hitastigi hraðar þegar afl er beitt og varma hraðar þegar kæliflæði er virkjað. Aftur á móti sýnir efni með lélega dreifingu hitatöf, miðja plötunnar getur enn verið heit á meðan yfirborðið hefur kólnað, eða yfirborðið getur brugðist hægt við breytingum á hitara.

Reyndar mun val á hitauppstreymi hitaplötuefnisins ákvarða hvort platan geti fylgst með hraðhjólaframleiðslulínu eða hvort það verði flöskuhálsinn.

Hagnýtt dæmi: Álplata á móti ryðfríu stáli
Segjum að við höfum tvær hitaplötur, 20 mm þykkar, aðra úr áli (6061) og hina úr ryðfríu stáli (304). Báðir eru hitaðir með eins skothylkihitara og kældir með eins vatnsleiðslum.

Upphitunartími 50 gráður til 200 gráður - Álplatan hitnar að settmarki um það bil 1/10 af eins hratt og ryðfríu stáli platan vegna skjótrar dreifingar hita frá ofnunum í gegnum alla plötuna. Ryðfrítt stálplatan sýnir sterkan hitastig í kringum hitarana, kjarninn tefur.

Kælitími 200 gráður til 60 gráður - Álplatan kólnar hratt með hitaflutningi til kælirásanna og fjarlægingu hita. Kjarni plötunnar úr ryðfríu stáli heldur hita og krefst langvarandi kælingar- eða virkra kælingar á báðum hliðum.

Orkunotkun - ryðfríu stáli hefur meiri rúmmálshitagetu (ρ x Cp=4.0 MJ/m3-K fyrir stál á móti ≈ 2,4 MJ/m3-K fyrir ál) Það krefst meiri heildarorku til að ná sama meðalhitastigi vegna lægri dreifingar og sóar meiri orku við kælingu (nema orkunýting sé notuð).

Með því að færa þig úr ryðfríu stáli yfir í álplötu geturðu rakað mínútur af hverri lotu fyrir ferli sem keyrir 100 lotur á dag, sem eykur daglega framleiðslu um 20-30%.

Varmadreifni vs hitaleiðni: hvers vegna þau eru bæði mikilvæg
Verkfræðingar með bakgrunn í stöðugu-varmaflutningi einbeita sér almennt að hitaleiðni (k). Fyrir stöðugt starfandi hitara við stöðugt hitastig er hitaflæðið (fyrir tiltekinn hitamun) ákvarðað af leiðni. Hins vegar, fyrir hringlaga notkun, er mikilvægari tölfræði oft dreifing.

Efni getur verið mjög leiðandi en hefur einnig mikla rúmmálshitagetu og þar með miðlungs dreifingu. Til dæmis hefur kopar afar háa leiðni (~400 W/m*K), en einnig mikinn eðlismassa og miðlungs sérvarma þannig að dreifing hans er ~116 mm2/s-enn mjög hröð, en ekki hlutfallslega hraðari en ál (69 mm2/s) miðað við mun meiri leiðni kopars. Ál veitir tilvalið málamiðlun: málmur hefur tiltölulega mikla leiðni, lágan þéttleika og miðlungs sérhæfðan hita, sem framleiðir sterka dreifingu með lægri kostnaði og þyngd.

Ryðfrítt stál er slæmur leiðari og hefur miðlungs rúmmál hitagetu sem leiðir til mjög lítillar dreifingar. Þrátt fyrir yfirburða tæringarþol og vélrænan styrk gerir þetta ryðfríu stáli óhentugt val fyrir hvers kyns notkun sem felur í sér hraðar hitabreytingar.

Leiðbeiningar um val fyrir efni fyrir hringlaga notkun
Mikilvægasta frammistöðutalan er hitaviðbragðstími hringlaga hitunarplatna sem skalast sem (þykkt2 / ). Viðbragðstíminn styttist um fjóra stuðul þegar þykktin er helminguð. Efnisval hefur einnig mikil áhrif.

Notaðu efni með mikla dreifingu (ál, kopar eða ál-kopar samsett efni) þegar:

Aðferðin felur í sér endurteknar upphitunar- og kælingarlotur (td hitamótun, hitaþéttingu, hringlaga pressur).

Lækkun hringrásartíma er framleiðni nauðsynleg.

Mikilvægi orkunýtingar (minni orku sparað og sóað í hverri lotu)

Vinnuhitastigið er undir efnismörkum (ál: ~400-500 gráður; kopar: ~300 gráður fyrir langvarandi notkun vegna oxunar).

Veldu efni með lægri-dreifingu (stál, ryðfrítt stál, títan) þegar:

Ferlið er nánast samfellt (stöðugt ástand) með fáum hitalotum.

Hár hiti (> 500C) fjarlægir ál og kopar.

Hitasvörun er mikilvægari en tæringarþol eða vélræn slitþol.

Hitaplatan er frekar þunn til að vega upp á móti lélegri dreifingu.

Athugaðu að fyrir mjög þykkar plötur (50 mm eða meira) mun jafnvel ál sýna verulega hitatöf. Við þessar aðstæður er hægt að auka skilvirka dreifingu með því að nota hönnun með innbyggðum hitara og kælirásum á víð og dreif um þykktina, eða með því að nota kopar hitadreifingarlög (sjá fyrri grein).

Efni með takmarkanir á háum dreifileika
Fyrir hringlaga notkun er mikil hitadreifing æskileg, en efnin sem veita það (ál og kopar) hafa takmarkanir:

Hámarkshiti – álstyrkur fer yfir 200-250 gráður og það byrjar að mýkjast umtalsvert yfir 350 gráður. Kopar oxast hratt í lofti við 300 gráður. Ef hitastigið er yfir 400 gráður er hjólreiðar hægt og þú gætir aðeins haft stál eða nikkel málmblöndur til að velja úr.

Tæringarþol - Ál og kopar henta ekki fyrir beina snertingu við mörg efni eða súr aðstæður. Ryðfrítt stál er lélegt dreifikerfi, en gæti verið nauðsynlegt fyrir tæringarþol.

Yfirborðshörku og slit - Ál er mjúkt og auðvelt að rispa. Stálhertu eða húðuð yfirborð gæti verið þörf fyrir renna eða slípandi snertingu. Í slíkum tilfellum getur fjöl-lagsplata (þunnt stálvinnsluflöt tengdur álbotni) boðið upp á bæði slitþol og mikla dreifingu.

Ályktun: Varmadreifing er lykillinn að hröðu efnisvali fyrir hjólreiðar
Varmadreifing er mikilvægur eiginleiki í forritum sem fela í sér hringlaga hitun. Það skilgreinir hraðann sem hitunarplata getur brugðist við breytingum á hitunar- eða kæliorku. Efni með mikla dreifingu, eins og ál (≈50-100 mm2/s), hitar og kælir hratt, lágmarkar hringrásartíma og dregur úr orkunotkun. Efni með lélega dreifingu (td ryðfríu stáli (≈4 mm2/s)) sýna hitatöf, sem leiðir til lengri hringrásartíma og orkusóun.

Þar sem rekstrarhitastig og tæringartakmarkanir leyfa, er ál valið fram yfir stál fyrir ferla þar sem endurteknar hitunar- og kælingarlotur koma við sögu. Fyrir enn hraðari svörun eru kopar- eða kopar-álsamsetningar líka valkostur. Varmadreifing er oft mikilvæga mælikvarðinn fyrir hringlaga notkun. Val á efnum ætti að taka bæði tillit til stöðugs-ástands og tímabundinnar hitauppstreymis.