Kuidas arvutada energiakadu, mis on tingitud PFA-kestast, mis toimib krüogeense -kuuma -jalgrattasõidu protsessi termilise barjäärina?

Protsessid, nagu krüogeenne -kuuma -kuuma tsükkel, mida kasutatakse termošoki testimisel, pooljuhtide tootmisel ja farmaatsia külmutus-sulatustsüklitel, liiguvad väga madalate temperatuuride (-40 kuni -80 kraadi) ja kõrgendatud temperatuuride (80 kuni 150 kraadi) vahel. Sukelküttekeha PFA ümbris toimib soojusbarjäärina nii kütte- kui ka jahutustsüklite vältel. PFA-l on madal soojusjuhtivus (0,20 W/m·K), mis põhjustab kuumutusfaasi ajal viivitatud soojusülekannet metallsüdamikust krüogeensele vedelikule. Jahutusfaasis aeglustab sama barjäär soojuse eemaldamist vedelikust jahutatud südamikusse. Energiakadu on selle barjääri ületamiseks vajalik lisaenergia võrreldes hüpoteetilise null-PFA-kattega küttekehaga (otsene metallikontakt). Tüüpilise 1,5 mm PFA seina puhul on energiakadu tsükli kohta 5–15% kogu soojusülekandest, olenevalt tsükli ajast ja vedeliku tingimustest. Integreerides soojusvoo aja jooksul, saab kao arvutada soojustakistuse mudeli abil.

Kuidas arvutada energiakadu
PFA ümbrise soojustakistus on R_PFA=t / k, kus t on paksus (m), k on soojusjuhtivus (W/m·K). t=1.5 mm puhul k=0.20 W/m·K, R_PFA=0.0075 m^2·K/W. Vedeliku konvektiivtakistus on R konv=1/h, kus h on konvektiivne soojusülekandetegur (W/m 2 K 1 ). Krüogeense vedeliku (vedel lämmastik, jahutatud soolvesi või külm lahusti) puhul on h tavaliselt 500–2000 W/m 2 – K, mis annab R konv=0.002 – 0,0005 m 2 – K/W. PFA domineerib kogutakistusest ja põhjustab 60–90% temperatuuri langusest.

Temperatuuri rambi ajal on soojusvoog q(t)=Tcore(t) - Tfluid(t) RPFA + Rconv. Tsükli jooksul ülekantav koguenergia on E=∫ q(t) · A · dt, kus A on küttekeha pindala. Antud tsükliaja puhul vähendab paksem PFA kogu aeg q(t), suurendades seadepunktini kuluvat aega. Energiakadu metallsoojendi ($R_{PFA}=0$) suhtes on $E_{loss}=E_{metal}-E_{PFA}$. Tüüpilise tsükli puhul -40 kraadi kuni +80 kraadi (ΔT=120 kraadi) 30 minuti jooksul, kasutades 6 kW kütteseadet (A=0.1 m^2), moodustab 1,5 mm PFA seina kaudu ülekantav energia ligikaudu 85% metallist soojendi kaudu ülekantavast energiast. Kahju on 15 protsenti.

Näidisarvutus: krüogeensuse kuni kuuma tsükli eeldused:

Paagi maht: 200 l metanooli/vee kombinatsiooni (c_p=3,500 J/kg*K, mass =200 kg)

Jahutage: +80 kraadi kuni -40 kraadi (ΔT=120 kraadi ) 30 minutiga

Soojeneb-: +80 kraadi kuni -40 kraadini (ΔT=120 kraadi ) 30 minutiga

Küttekeha võimsus: 10 kW (metallsüdamik) pindala A=0.15 m2

PFA seina paksus 1,5 mm (R_PFA=0.0075) Alternatiiv: 0,5 mm (R_PFA=0.0025)

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

Energia vedeliku temperatuuri muutmiseks (teoreetiline miinimum, kadudeta): E_min=m × c_p × ΔT=200 × 3 500 × 120=84 000 000 J=84 MJ.

Metallist küttekeha (ilma PFA-tõkketa): R konv=R kokku=0.001. Kütteseade on võimeline edastama kaldteel täisvõimsust 10 kW. ülekandeaeg 84MJ t=84,000,000/10,000=8400 sekundit=140 minutit. Kaldteeaeg on aga kõigest 30 minutit (1800 sekundit). Metallist kütteseade edastab E metalli=10,000 × 1,800=18 MJ 30 minutiga. Ülejäänud 66 MJ tuleb hankida muudest allikatest (jope, ambient) või suurendada rambiaega. Soojusülekannet vähendab veelgi PFA barjäär.

1,5 mm PFA: R_total=0.0075 + 0.001=0.0085 Maksimaalne soojusvoog tipptasemel ΔT (120 kraadi)=120/0.0085=14118 W/m2. Küttekeha koguvõimsus=14118 * 0.15=2118 W (2,1 kW). Üle 30 minuti E_PFA=2,118 * 1,800=3.8 MJ. PFA barjäär vähendab soojusülekannet 18 MJ-lt (metall) 3,8 MJ-ni, mis tähendab 14,2 MJ kadu iga tsükli kohta.

0,5 mm PFA: R_PFA=0.0025, R_total=0.0035. Max soojusvoog=120 / 0.0035=34,286 W/m2 Küttekeha võimsus=34,286 x 0.15=5,143 W (5,1 kW). E_0,5 mm=5, 143 x 1, 800=9.3 MJ. Kaod vs metall=18 - 9.3=8.7 MJ, ligikaudu pool sellest 1,5 mm PFA puhul.

Energiakadu tsükli kohta vs seina paksus
PFA paksus (mm) R_PFA (m²·K/W) R_kogu (m²·K/W, h=1000) Maksimaalne soojusvoog ΔT=120 kraadi juures (W/m²) Küttekeha võimsus (kW, A=0.15 m²) Energia 30-minutise rambi kohta (MJ) Energiakadu (MJ) Metalli ülekanne 0% (MJ) vs. 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%
Krüogeense jalgrattasõidu praktilised aspektid
Krüogeensest -kuuma -kuuma tsikliga sõitmiseks on PFA ümbrisel märkimisväärne energiakulu, kuni 80% kaotus 1,5-mm seina puhul 30-minutilise rambiga. Karistus on suurem lühikese rambi kestuse korral (soojusülekannet piirab PFA barjäär) ja väiksem pikkade rambiaegade korral (annab aega soojuse juhtimiseks läbi PFA). Üle 2-tunniste tsüklite puhul on PFA barjäär vähem oluline, kuna süsteem läheneb püsiolekule. Kiire tsükli korral (30 minutit või vähem) muutub PFA kitsaskohaks, mida ei saa lahendada küttekeha võimsuse suurendamisega, kuna PFA soojusjuhtivus seab piiri maksimaalsele soojusvoole, olenemata südamiku temperatuurist.

Energiakao minimeerimiseks krüogeense tsükli ajal: (1) Kasutage õhemat PFA-seina (0,5-1,0 mm), kui mehaanilised ja keemilised piirangud seda võimaldavad. (2) Suurendage pindala (pikema või suurema läbimõõduga küttekeha), et kompenseerida väiksemat soojusvoogu. (3) Valige kõrgendatud soojusjuhtivusega PFA kvaliteet (mõned eriklassid on 0,25–0,30 W/mK, 25–50% parem). (4) Parima efektiivsuse saavutamiseks kasutage täis PFA-katte asemel õhukese PFA-kattega (0,2–0,5 mm) metallsoojendit, mis kahjustab keemilist vastupidavust. (5) Lisage retsirkulatsioonipump h suurendamiseks (kuni 5000 W/m2.K), et vähendada Rconv ja muuta RPFA domineerivaks, kuid siiski piiravaks teguriks.

Kui see on olemasolev krüogeenne tsükliline protsess ja te ei talu energiakadu, siis vaadake võimalust viia kütteseade retsirkulatsioonikontuurile, kus voolukiirus on suurem ja seega h parem. Samuti saab küttekeha suuremaks muuta, kuna ruumi on vähem kulukas. 2,5 mm PFA-soojendi aeglase vooluga paagis võib üle kanda vaid 2 MJ tsükli kohta. Suure -vooluahela (h=5 000) identne kütteseade edastaks 3,5 MJ tsükli kohta – 75% paranemine.

Järeldus: PFA barjäär põhjustab kiires krüogeenses tsüklis 50–80% energiakadu
PFA ümbris on peamine soojusisolaator ja krüogeense -kuuma -kuuma tsükliga töötamise korral põhjustab see 50-80% energiakadusid võrreldes paljast metallist küttekehaga, mille kaldtee kestus on 30 minutit või lühem. Kadu 1,5 mm PFA seina puhul on tavalise 30 min, 120 C kaldtee korral umbes 80%. Insenerid peavad küttekehade projekteerimisel ja tsükliaegade arvutamisel selle kadu arvesse võtma. Kadu saab vähendada õhemate seinte (0,5-1,0 mm), suurema soojusjuhtivusega PFA klasside, suurema pinna või parema konvektsiooni määramisega. Kiire tsükliga rakendustes, kus energiatõhusus on ülioluline, tuleks kaaluda alternatiivseid küttekehade konstruktsioone (õhukese kattekihiga metall, suure vooluhulgaga in-line-soojendid) ja polümeerbarjääri paksuse vähendamist. PFA ümbris pakub keemilist vastupidavust, kuid see on ka termiline pudelikael. Krüogeense tsükli puhul pole see kitsaskoht väike parandus, vaid soojusülekande esmane komponent. Töötage kahjum välja ja kujundage selle ümber. PFA barjääri tähelepanuta jätmine toob kaasa alamõõdulised kütteseadmed ja 2–5 korda pikemad kui planeeritud tsükliajad.