Kuinka laskea energiahäviö, joka johtuu PFA-vaipasta, joka toimii lämpöesteenä kryogeenisessä---kuumassa pyöräilyprosessissa?

Prosessit, kuten kryogeeninen -kuuma kierto, joita käytetään lämpöshokkitestauksessa, puolijohteiden valmistuksessa ja farmaseuttisissa jäädytys-sulatussykleissä, vaihtelevat hyvin alhaisten lämpötilojen (-40 astetta - -80 astetta) ja korkeiden lämpötilojen (80 - 150 astetta) välillä. Uppolämmittimen PFA-vaippa toimii lämpöesteenä sekä lämmitys- että jäähdytysjaksojen ajan. PFA:lla on alhainen lämmönjohtavuus (0,20 W/m·K), mikä johtaa viivästyneeseen lämmönsiirtoon metalliytimestä kryogeeniseen nesteeseen kuumennusvaiheen aikana. Jäähdytysvaiheen aikana sama este hidastaa lämmön poistumista nesteestä jäähdytettyyn ytimeen. Energiahäviö on ylimääräistä energiaa, joka tarvitaan tämän esteen voittamiseksi verrattuna hypoteettiseen lämmittimeen, jossa ei ole PFA-vaippaa (suora metallikosketus). Tyypillisellä 1,5 mm:n PFA-seinällä energiahäviö sykliä kohden on 5-15 % kokonaislämmönsiirrosta syklin ajasta ja nesteolosuhteista riippuen. Integroimalla lämpövirta ajan myötä häviö voidaan laskea lämpöresistanssimallin avulla.

Kuinka laskea energiahäviö
PFA-vaipan lämpövastus on R_PFA=t / k, missä t on paksuus (m), k on lämmönjohtavuus (W/m·K). Kun t=1.5 mm, k=0.20 W/m·K, R_PFA=0.0075 m^2·K/W. Nesteen konvektiivinen resistanssi on R conv=1/h missä h on konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (W/m 2 K 1 ). Kryogeeniselle nesteelle (nestetyppi, jäähdytetty suolaliuos tai kylmä liuotin) h on tyypillisesti 500 – 2000 W/m 2 – K, mikä antaa arvoksi R konv=0.002 – 0,0005 m 2 – K/W. PFA hallitsee kokonaisvastusta ja on vastuussa 60–90 % lämpötilan laskusta.

Lämpötilarampin aikana lämpövirta on q(t)=Tcore(t) - Tfluid(t) RPFA + Rconv. Jakson aikana siirretty kokonaisenergia on E=∫ q(t) · A · dt, missä A on lämmittimen pinta-ala. Tietyllä sykliajalla paksumpi PFA vähentää q(t):tä koko ajan, mikä lisää aikaa asetuspisteeseen. Energiahäviö metallilämmittimeen nähden ($R_{PFA}=0$) on $E_{loss}=E_{metal}-E_{PFA}$. Tyypillisessä -40 asteesta +80 asteeseen (ΔT=120 aste ) 30 minuutin aikana 6 kW:n lämmittimellä (A=0.1 m^2) 1,5 mm:n PFA-seinän läpi siirretty energia on noin 85 % paljaan metallisen lämmittimen kautta siirretystä energiasta. Tappio on 15 prosenttia.

Esimerkkilaskenta: Kryogeenisestä kuumaan kiertoon oletukset:

Säiliön tilavuus: 200 L metanoli/vesi-yhdistelmää (c_p=3,500 J/kg*K, massa=200 kg)

Jäähdytä: +80 astetta -40 asteeseen (ΔT=120 astetta ) 30 minuutissa

Lämpenee-: +80 astetta -40 asteeseen (ΔT=120 astetta) 30 minuutissa

Lämmittimen teho: 10 kW (metalliydin) pinta-ala A=0.15 m2

PFA seinämän paksuus 1,5 mm (R_PFA=0.0075) Vaihtoehto: 0,5 mm (R_PFA=0.0025)

Konvektiivinen kerroin h=1,000 W/m2K (Rconv=0.001)

Energia nesteen lämpötilan muuttamiseen (teoreettinen minimi, ei häviöitä): E_min=m × c_p × ΔT=200 × 3 500 × 120=84 000 000 J=84 MJ.

Metallilämmitin (ei PFA-estettä): R konv=R yhteensä=0.001. Lämmitin pystyy tuottamaan täydet 10 kW rampin poikki. aika siirtää 84MJ t=84,000,000/10,000=8400 sekuntia=140 minuuttia. Ramppiaika on kuitenkin vain 30 minuuttia (1 800 sekuntia). Metallilämmitin siirtää E metallia=10,000 × 1,800=18 MJ 30 minuutissa. Loput 66 MJ on hankittava muista lähteistä (takki, ambient) tai ramppiaikaa on lisättävä. PFA-este vähentää edelleen lämmönsiirtoa.

1,5 mm PFA: R_total=0.0075 + 0.001=0.0085 Suurin lämpövirta huipulla ΔT (120 astetta)=120/0.0085=14118 W/m2. Lämmittimen kokonaisteho=14118 * 0.15=2118 W (2,1 kW). Yli 30 minuuttia E_PFA=2,118 * 1,800=3.8 MJ. PFA-este vähentää lämmönsiirtoa 18 MJ:sta (metalli) 3,8 MJ:iin, 14,2 MJ:n häviö jokaisessa jaksossa.

0,5 mm PFA: R_PFA=0.0025, R_total=0.0035. Suurin lämpövirta=120 / 0.0035=34,286 W/m2 Lämmittimen teho=34,286 x 0.15=5,143 W (5,1 kW). E_0,5 mm=5,143 x 1,800=9.3 MJ. Häviö vs metalli=18 - 9.3=8.7 MJ, noin puolet siitä 1,5 mm PFA:lla.

Energian menetys sykliä kohti vs. seinän paksuus
PFA Paksuus (mm) R_PFA (m²·K/W) R_yht. (m²·K/W, h=1000) Suurin lämpövirta ΔT=120 asteessa (W/m²) Lämmittimen teho (kW, A=0.15 m²) Energia per 30 min ramppi (MJ) Energiahäviö (MJ) Metalli 0 % (MJ) 0 0.001 120,000 18.0 18.0 0 0% 0.5 0.0025 0.0035 34,286 5.14 9.3 8.7 48% 1.0 0.0050 0.0060 20,000 3.0 5.4 12.6 70% 1.5 0.0075 0.0085 14,118 2.12 3.8 14.2 79% 2.0 0.0100 0.0110 10,909 1.64 2.9 15.1 84% 2.5 0.0125 0.0135 8,889 1.33 2.4 15.6 87%
Kryogeenisen pyöräilyn käytännön näkökohdat
Kryogeenisestä---kuumapyöräilyssä PFA-kuorella on huomattava energiankulutus, jopa 80 %:n häviö 1,5-mm seinälle 30 minuutin ramppissa. Rangaistus on suurempi lyhyistä rampin kestoista (lämmönsiirtoa rajoittaa PFA-este) ja pienempi pitkistä ramppiajoista (jolloin lämpö johtaa PFA:n läpi). Yli 2 tunnin jaksoissa PFA-este on vähemmän tärkeä, koska järjestelmä lähestyy vakaata tilaa. Nopeassa pyöräilyssä (30 minuuttia tai vähemmän) PFA:sta tulee pullonkaula, jota ei voida ratkaista lisäämällä lämmittimen tehoa, koska PFA:n lämmönjohtavuus asettaa rajan maksimaaliselle lämpövirralle riippumatta ydinlämpötilasta.

Energiahäviön minimoimiseksi kryogeenisen syklin aikana: (1) Käytä ohuempaa PFA-seinämää (0,5-1,0 mm), jos mekaaniset ja kemialliset rajoitukset sen sallivat. (2) Kasvata pinta-alaa (halkaisijaltaan suurempi tai pidempi lämmitin) kompensoidaksesi pienempi lämpövirta. (3) Valitse PFA-laatu, jolla on parannettu lämmönjohtavuus (jotkut erikoisluokat ovat jopa 0,25-0,30 W/mK, 25-50 % parannus). (4) Parhaan tehokkuuden saavuttamiseksi käytä metallilämmitintä, jossa on ohut PFA-pinnoite (0,2-0,5 mm) täyden PFA-vaipan sijaan kemikaalinkestävyyden kustannuksella. (5) Lisää kierrätyspumppu nostaaksesi h-arvoa (jopa 5000 W/m2.K) vähentääksesi Rconv:a ja tehdäksesi RPFA:sta hallitsevan, mutta silti rajoittavan tekijän.

Jos tämä on olemassa oleva kryogeeninen kiertoprosessi, etkä voi sietää energian menetystä, harkitse mahdollisuutta siirtää lämmitin kierrätyssilmukkaan, jossa virtausnopeus on suurempi ja siksi h on parempi. Lisäksi lämmitin voidaan koota suuremmaksi, koska tilaa ei ole niin paljon. 2,5 mm:n PFA-lämmitin hitaassa -virtaussäiliössä voi siirtää vain 2 MJ sykliä kohden. Identtinen lämmitin suuressa -virtaussilmukassa (h=5 000) siirtäisi 3,5 MJ sykliä kohden – 75 % parannus.

Johtopäätös: PFA-este aiheuttaa 50-80 % energiahäviön nopeassa kryogeenisessa syklissä
PFA-suojus on tärkeä lämmöneriste, ja kryogeenisissä---kuumakiertotoiminnoissa se johtaa 50-80 %:n energiahäviöön verrattuna paljaaseen metalliseen lämmittimeen, jonka rampin kesto on 30 minuuttia tai lyhyempi. 1,5 mm:n PFA-seinän häviö on noin 80 % tavallisella 30 min, 120 C rampilla. Insinöörien on otettava tämä menetys huomioon lämmittimien suunnittelussa ja kiertoaikojen laskemisessa. Häviötä voidaan pienentää määrittämällä ohuempia seiniä (0,5-1,0 mm), suurempi lämmönjohtavuus PFA-laatuja, suurempi pinta-ala tai parempi konvektio. Vaihtoehtoisia lämmitinmalleja (ohutpinnoitettu metalli, in-line-lämmittimet suurella virtauksella) ja polymeerisulun paksuuden pienentämistä tulisi harkita nopean syklin sovelluksissa, joissa energiatehokkuus on ratkaisevan tärkeää. PFA-suojus kestää kemiallisesti, mutta se on myös lämpöpullonkaula. Kryogeenisessa pyöräilyssä tämä pullonkaula ei ole pieni korjaus, vaan ensisijainen komponentti lämmönsiirrossa. Harkitse häviötä ja suunnittele sitten sen ympärille. PFA-esteen laiminlyönti johtaa alimitoitettuihin lämmittimiin ja 2–5 kertaa suunniteltua pidemmät jaksoajat.