מהי המשמעות של פיזור תרמית בבחירת חומרי לוחות חימום עבור יישומים מחזוריים?
השאר הודעה
לשינוי הטמפרטורה של הפלטה יש השפעה ישירה על הפרודוקטיביות של תהליכים כגון תרמופורמינג, דפוס מרוכב או כל תהליך הכרוך במחזורי חימום וקירור חוזרים ונשנים. מוליכות תרמית מתארת חלק מהנרטיב בעוד שדיפוזיביות תרמית מספקת תמונה מלאה יותר של התגובה התרמית החולפת. ביישומים מחזוריים, הבחירה בחומר לוחית חימום עם דיפוזיות תרמית גבוהה יכולה לגרום להפחתה משמעותית בזמן המחזור ובשימוש באנרגיה.
פיזור תרמית: כמה מהר חומר מגיב לשינויי טמפרטורה
דיפוזיות תרמית ( ) היא תכונה חומרית המאפיינת באיזו מהירות חומר עשוי לשנות את הטמפרטורה שלו בתגובה לשינוי בסביבתו. יש לו שלוש תכונות בסיסיות משולבות:
=k/ρ*Cp
אֵיפֹה:
k=מוליכות תרמית (W/m K)
צפיפות ρ=(ק"ג/מ"ק)
Cp=קיבולת חום ספציפית J/kg.K
המונה (k) הוא היכולת להוביל חום. המכנה (Cp) הוא קיבולת החום הנפחית, שהיא האנרגיה התרמית הדרושה להעלאת הטמפרטורה של יחידת נפח במעלה אחת. דיפוזיות תרמית היא אם כן מדד לקצב התפשטות החום בחומר בהשוואה לכמות האנרגיה שיש לספוג כדי לשנות את הטמפרטורה שלו.
דיפוזיות גבוהה מסמלת שהחומר יתחמם ויתקרר במהירות, בעוד שדיפוזיות נמוכה מרמזת על איטיות תרמית.
פיזור תרמית של חומרי לוחות חימום טיפוסיים
הטבלה הבאה משווה דיפוזיות תרמית עבור חומרים הנפוצים בשימוש בפלטות חימום, לוחות ומשטחי עיתונות:
חומר מוליכות תרמית (W/m·K) צפיפות (kg/m³) Chaleur spécifique (J/kg·K) Conductivité thermique (mm²/s) Vitesse יחסית Cuivre (pur) ~400 8960 385 ~116 Très rapide
אלומיניום (6061-T6) ~167 2700 896 ~69 אלומיניום מהיר (5083) ~120 2660 900 ~50 מהיר בינוני
פלדה (דל פחמן) ~50 7850 460 ~13.8 איטי
נירוסטה (304) ~16 8000 500 ~4.0 איטי מאוד
טיטניום (כיתה 2) ~17 4510 520 ~7.2 איטי
הערה: הערכים משוערים ומשתנים במידה מסוימת עם הסגסוגת והטמפרטורה.
לסגסוגות אלומיניום יש ערכי דיפוזיות תרמית בטווח של 50-100 מ"מ לשנייה, בעוד מפלדת אל חלד היא כ-4 מ"מ לשנייה. המשמעות היא שפלטת האלומיניום תגיב לשינויים בכוח המחמם או בזרימת הקירור מהירה בערך פי 10-20 מאשר פלטת נירוסטה באותו עובי.
מדוע פיזור תרמית חשוב ליישומים מחזוריים?
בתהליכי חימום מחזוריים כמו תרמופורמציה, יציקת דחיסה, איטום בחום או למינציה, הפלטה או לוח החימום עוברים במחזוריות מטמפרטורה נמוכה יותר לנקודה מוגדרת, מוחזקים למרווח תהליכים ואז מקוררים לטמפרטורה נמוכה יותר לפני המחזור הבא. זמן המחזור כולו הוא סך הכל:
העלאה-(זמן חימום)
זמן להחזיק או להשרות
ירידה-למטה (זמן קירור)
טיפול בזמן חומר
כל ירידה בזמן החימום או הקירור מגדילה ישירות את התפוקה וממזערת את צריכת האנרגיה לחלק.
חומר בעל דיפוזיות תרמית גבוהה יאפשר ללוח להגיע לטמפרטורה הרצויה מהר יותר כאשר מופעל כוח, ולהשיל חום מהר יותר כאשר זרימת הקירור מופעלת. לעומת זאת, חומר עם דיפוזיות ירודה מפגין פיגור תרמי, מרכז הפלטה עשוי להיות עדיין חם בזמן שהמשטח התקרר, או שהמשטח עשוי להגיב באיטיות לשינויי המחמם.
למעשה, הבחירה בדיפוזיות התרמית של חומר לוחית החימום תקבע אם הפלטה תוכל לעמוד בקצב ייצור מהיר של רכיבה על אופניים או שזה יהיה צוואר הבקבוק.
דוגמה מעשית: לוח אלומיניום לעומת נירוסטה
נניח שיש לנו שתי לוחות חימום בעובי 20 מ"מ, האחת מאלומיניום (6061) והשנייה מפלדת אל חלד (304). שניהם מחוממים על ידי מחממי מחסניות זהים ומקוררים על ידי תעלות מים זהות.
זמן חימום 50 מעלות עד 200 מעלות - פלטת האלומיניום מתחממת לנקודת ההגדרה בסביבות 1/10 מהמהירות של פלטת הנירוסטה בשל פיזור מהיר של חום מהתנורים דרך כל הצלחת. לוחית הנירוסטה מציגה שיפוע טמפרטורה חזק סביב המחממים, הליבה מפגרת.
זמן קירור 200 מעלות עד 60 מעלות - פלטת האלומיניום מתקררת במהירות באמצעות העברת חום לתעלות הקירור והסרת חום. הליבה של לוח הנירוסטה שומרת על חום, ודורשת קירור- ממושך או קירור פעיל משני הצדדים.
צריכת אנרגיה - לנירוסטה יש קיבולת חום נפחית גדולה יותר (ρ x Cp=4.0 MJ/m3-K לפלדה לעומת ≈ 2.4 MJ/m3-K לאלומיניום) היא דורשת יותר אנרגיה כוללת כדי להגיע לאותה טמפרטורה ממוצעת בגלל הדיפוזיות הנמוכה יותר שלה ומבזבזת יותר אנרגיה בזמן קירור (אלא אם נעשה שימוש בהחזר אנרגיה).
על ידי מעבר מלוח נירוסטה לצלחת אלומיניום, אתה יכול לגלח דקות מכל מחזור לתהליך המריץ 100 מחזורים ביום, להגביר את התפוקה היומית ב-20-30%.
פיזור תרמית לעומת מוליכות תרמית: מדוע שניהם חשובים
מהנדסים עם רקע בהובלת חום-יציב מתרכזים בדרך כלל במוליכות תרמית (k). עבור תנור חימום הפועל ברציפות בטמפרטורה קבועה, שטף החום (עבור הפרש טמפרטורה נתון) נקבע על ידי המוליכות. עם זאת, עבור יישומים מחזוריים, הנתון הרלוונטי יותר הוא לעתים קרובות הדיפוזיטיביות.
חומר יכול להיות מוליך מאוד אך גם בעל יכולת חום נפחית גבוהה ובכך דיפוזיה מתונה. למשל לנחושת מוליכות גבוהה במיוחד (~400 W/m*K), אבל גם צפיפות גבוהה וחום סגולי מתון כך שהדיפוזיות שלה היא ~116 mm2/s-עדיין מהירה מאוד, אך לא מהירה יותר באופן פרופורציונלי מאלומיניום (69 mm2/s) בהינתן מוליכות הנחושת הרבה יותר גדולה. אלומיניום מספק פשרה אידיאלית: למתכת מוליכות גבוהה יחסית, צפיפות נמוכה וחום סגולי מתון, מייצרת דיפוזיות חזקה בעלות ומשקל נמוכים יותר.
נירוסטה היא מוליך גרוע ובעלת קיבולת חום בינונית בנפח מה שמוביל לדיפוסיביות נמוכה מאוד. למרות עמידות בפני קורוזיה מעולה וחוזק מכני, זה הופך את הנירוסטה לבחירה בלתי מתאימה לכל יישום הכרוך בשינוי מהיר של הטמפרטורה.
הנחיות לבחירה עבור חומרים ליישומים מחזוריים
נתון הביצועים החשוב ביותר הוא זמן התגובה התרמית של לוחות החימום המחזוריים המותאמים ל- (עובי 2 / ). זמן התגובה מצטמצם בפקטור של ארבע בעת חציית עובי. לבחירת החומר יש גם השפעה גדולה.
השתמש בחומרים בעלי דיפוזיות גבוהה (אלומיניום, נחושת או אלומיניום-מרוכבי נחושת) כאשר:
השיטה כוללת מחזורי חימום וקירור חוזרים (למשל, תרמופורמינג, איטום בחום, לחיצות מחזוריות).
הפחתת זמן מחזור היא הכרחי לפרודוקטיביות.
חשיבותה של יעילות אנרגטית (פחות אנרגיה שנחסכה ובזבוז בכל מחזור)
טמפרטורת העבודה מתחת לגבולות החומר (אלומיניום: ~400-500 מעלות; נחושת: ~300 מעלות לשימוש ממושך עקב חמצון).
בחר חומרים עם -פיזור נמוך יותר (פלדה, נירוסטה, טיטניום) רק כאשר:
התהליך הוא כמעט רציף (מצב יציב) עם מעט מחזורי חום.
טמפרטורה גבוהה (> 500C) מסירה אלומיניום ונחושת.
תגובה תרמית חשובה יותר מעמידות בפני קורוזיה או עמידות בפני שחיקה מכנית.
פלטת החימום דקה למדי כדי לפצות על הדיפוזיטיביות הירודה.
שימו לב כי עבור פלטות עבות מאוד (50 מ"מ ומעלה) אפילו אלומיניום יראה פיגור תרמי משמעותי. בנסיבות אלו, ניתן לשפר את הדיפוזיטיביות האפקטיבית על ידי שימוש בעיצובים עם תנורי חימום משובצים ותעלות קירור הפזורות בעובי, או על ידי שימוש בשכבות מפזר חום נחושת (ראה מאמר קודם).
חומרים עם מגבלות פיזור גבוה
עבור יישומים מחזוריים רצויה דיפוזיה תרמית גבוהה, אך לחומרים המספקים אותה (אלומיניום ונחושת) יש מגבלות:
טמפרטורה מקסימלית - חוזק האלומיניום יורד מעל 200-250 מעלות, והוא מתחיל להתרכך במידה ניכרת מעל 350 מעלות. נחושת מתחמצנת במהירות באוויר ב-300 מעלות. אם הטמפרטורה היא מעל 400 מעלות, הרכיבה איטית וייתכן שיש לך רק פלדה או סגסוגות ניקל לבחירה.
עמידות בפני קורוזיה - אלומיניום ונחושת אינם מתאימים למגע ישיר עם כימיקלים רבים או תנאים חומציים. נירוסטה היא מפזר גרוע, אך עשוי להיות הכרחי לעמידות בפני קורוזיה.
קשיות פני השטח ובלאי - האלומיניום רך וקל לשריטה. ייתכן שיהיה צורך במשטחי פלדה מוקשים או מצופים במגע מחליק או שוחק. במקרים כאלה לוח רב-שכבתי (משטח עבודה פלדה דק המחובר לבסיס אלומיניום) יכול להציע גם עמידות בפני שחיקה וגם דיפוזיות גבוהה.
מסקנה: פיזור תרמי הוא המפתח לבחירת חומרים מהירה לרכיבה על אופניים
דיפוזיות תרמית היא תכונה חשובה ביישומים הכוללים חימום מחזורי. הוא מגדיר את הקצב שבו פלטת חימום יכולה להגיב לשינויים בעוצמת החימום או הקירור. חומרים בעלי דיפוזיות גבוהה, כגון אלומיניום (≈50-100 מ"מ לשנייה), מחממים ומצננים במהירות, מצמצמים את זמן המחזור ומצמצמים את צריכת האנרגיה. חומרים בעלי דיפוזיות ירודה (למשל נירוסטה (≈4 מ"מ לשנייה)) מציגים פיגור חום, וכתוצאה מכך משכי מחזור ארוכים יותר ובזבוז אנרגיה.
כאשר טמפרטורות הפעלה ומגבלות קורוזיה מאפשרות, אלומיניום מועדף על פני פלדה לתהליכים שבהם מעורבים מחזורי חימום וקירור חוזרים ונשנים. להיענות מהירה עוד יותר, רכיבי אלומיניום נחושת או-נחושת הם גם אופציה. דיפוזיות תרמית היא לעתים קרובות המדד הקריטי עבור יישומים מחזוריים. בחירת החומרים צריכה לקחת בחשבון הן את המצב היציב- והן את הביצועים התרמיים החולפים.
