Sut i Gyfrifo'r Golled Ynni Oherwydd bod y Wain PFA yn Gweithredu fel Rhwystr Thermol mewn-Broses Cryogenig i-Beicio Poeth?

Mae prosesau megis cylchredau dadmer cryogenig i feicio poeth, a ddefnyddir mewn profion sioc thermol, cynhyrchu lled-ddargludyddion, a rhewi fferyllol, yn cylchredeg rhwng tymereddau isel iawn (-40 gradd i -80 gradd) a thymheredd uchel (80 gradd i 150 gradd). Mae gwain PFA gwresogydd trochi yn gweithio fel rhwystr thermol trwy gydol y ddau gylchred gwresogi ac oeri. Mae gan y PFA ddargludedd thermol isel (0.20 W/m·K) sy'n arwain at oedi wrth drosglwyddo gwres o'r craidd metel i'r hylif cryogenig yn ystod y cyfnod gwresogi. Yn ystod y cyfnod oeri, mae'r un rhwystr yn arafu tynnu gwres o'r hylif i'r craidd oer. Y golled ynni yw'r egni ychwanegol sydd ei angen i oresgyn y rhwystr hwn o'i gymharu â gwresogydd damcaniaethol gyda sero gwain PFA (cyswllt metel uniongyrchol). Ar gyfer wal PFA 1.5-mm nodweddiadol, y golled ynni fesul cylch yw 5 i 15% o gyfanswm y trosglwyddiad gwres, yn dibynnu ar amser beicio ac amodau hylif. Trwy integreiddio'r fflwcs gwres dros amser, gellir cyfrifo'r golled gan ddefnyddio'r model gwrthiant thermol.

Sut i Gyfrifo Colli Ynni
Gwrthiant thermol y wain PFA yw R_PFA=t / k, lle t yw'r trwch (m), k yw'r dargludedd thermol (W/m·K). Ar gyfer t=1.5 mm, k=0.20 W/m·K, R_PFA=0.0075 m^2·K/W. Gwrthiant darfudol yr hylif yw R conv=1/h lle h yw'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol (W/m 2 K 1 ). Ar gyfer hylif cryogenig (nitrogen hylifol, heli oer, neu doddydd oer) mae h fel arfer yn 500 – 2000 W/m 2 – K, sy’n rhoi conv R=0.002 – 0.0005 m 2 – K/W. Mae'r PFA yn dominyddu cyfanswm y gwrthiant ac mae'n gyfrifol am 60-90% o'r dirywiad tymheredd.

Yn ystod ramp tymheredd, y fflwcs gwres yw q(t)=Tcore(t) - Tfluid(t) RPFA + Rconv. Cyfanswm yr egni sy'n cael ei drawsyrru mewn cylchred yw E=∫ q(t) · A · dt, ac A yw arwynebedd y gwresogydd. Ar gyfer amser beicio penodol, mae PFA mwy trwchus yn lleihau q(t) bob amser, gan gynyddu'r amser i'r pwynt gosod. Y golled ynni mewn perthynas â gwresogydd metel ($R_{PFA}=0$) yw $E_{colled}=E_{metal}-E_{PFA}$. Ar gyfer cylchred nodweddiadol o -40 gradd i +80 gradd (ΔT=120 gradd ) dros 30 munud, gan ddefnyddio gwresogydd 6 kW (A=0.1 m^2), mae’r egni sy’n cael ei drosglwyddo drwy wal PFA 1.5 mm tua 85% o’r egni sy’n cael ei drosglwyddo drwy wresogydd metel noeth. Y golled yw 15 pct.

Cyfrifiad Sampl: Tybiaethau Cryogenig i Beicio Poeth:

Cyfaint y tanc: 200 L o gyfuniad methanol/dŵr (c_p=3,500 J/kg*K, màs=200 kg)

Oeri: +80 gradd i -40 gradd (ΔT=120 gradd ) mewn 30 munud

Cynheswch-i fyny: +80 gradd i -40 gradd (ΔT=120 gradd ) mewn 30 munud

Pŵer gwresogydd: 10 kW (craidd metel) arwynebedd arwyneb A=0.15 m2

Trwch wal PFA 1.5 mm (R_PFA=0.0075) Dewis arall: 0.5 mm (R_PFA=0.0025)

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

Egni i newid y tymheredd hylif (lleiafswm damcaniaethol, dim colledion): E_min=m × c_p × ΔT=200 × 3,500 × 120=84,000,000 J=84 MJ.

Gwresogydd metel (dim rhwystr PFA): R conv=Cyfanswm R=0.001. Mae'r gwresogydd yn gallu darparu 10 kW llawn ar draws y ramp. amser i drosglwyddo 84MJ t=84,000,000/10,000=8400 eiliad=140 munud. Fodd bynnag, dim ond 30 munud (1,800 eiliad) yw amser y ramp. Mae'r gwresogydd metel yn trawsyrru E metel=10,000 × 1,800=18 MJ mewn 30 munud. Mae'n rhaid cael y 66 MJ gweddill o ffynonellau eraill (siaced, amgylchynol) neu mae'n rhaid cynyddu amser y ramp. Mae'r trosglwyddiad gwres yn cael ei leihau ymhellach gan y rhwystr PFA.

1.5 mm PFA: R_total=0.0075 + 0.001=0.0085 Uchafswm fflwcs gwres ar yr uchafbwynt ΔT (120 gradd )=120/0.0085=14118 W/m2. Cyfanswm pŵer y gwresogydd=14118 * 0.15=2118 W (2.1 kW). Dros 30 munud E_PFA=2,118 * 1,800=3.8 MJ. Mae rhwystr PFA yn lleihau'r trosglwyddiad gwres o 18 MJ (metel) i 3.8MJ, colled o 14.2MJ bob cylchred.

0.5 mm PFA: R_PFA=0.0025, R_total=0.0035. Uchafswm fflwcs gwres=120 / 0.0035=34,286 W/m2 Pŵer gwresogydd=34,286 x 0.15=5,143 W (5.1 kW). E_0.5mm=5,143 x 1,800=9.3 MJ. Colled yn erbyn metel=18 - 9.3=8.7 MJ, tua hanner hynny ar gyfer PFA 1.5 mm.

Colli Ynni fesul Cylch yn erbyn Trwch Wal
Trwch PFA (mm) R_PFA (m²·K/W) R_cyfanswm (m²·K/W, h=1000) Uchafswm Fflwcs Gwres ar ΔT=120 gradd (W/m²) Pŵer Gwresogydd (kW, A=0.15 m²) Egni fesul ramp 30 munud (MJ) Ynni i bob 30 munud (MJ) Colli metel (MJ) Trosglwyddiad Metel yn erbyn %Metel. 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%{12}},000 3.0 5.4 12.6 70%{14}},118 2.12 3.8 14.2 79%{16}},909 1.64 2.9 15.1 84%{18}},{19}%
Agweddau Ymarferol ar Feicio Cryogenig
Ar gyfer{0}}cryogenig-beicio poeth, mae gan y wain PFA gosb ynni sylweddol, cymaint ag 80% o golled ar gyfer wal 1.5{-mm mewn ramp 30 munud. Mae'r gosb yn fwy ar gyfer rampiau byr (mae'r rhwystr PFA yn cyfyngu ar drosglwyddo gwres) ac yn llai ar gyfer amseroedd ramp hir (gan roi amser i wres ddargludo drwy'r PFA). Ar gyfer cylchoedd hirach na 2 awr mae rhwystr PFA yn llai pwysig, wrth i'r system nesáu at gyflwr sefydlog. Yn achos beicio cyflym (30 munud neu lai) mae'r PFA yn dod yn dagfa na ellir mynd i'r afael â hi trwy gynyddu pŵer y gwresogydd, gan fod dargludedd thermol y PFA yn gosod terfyn ar y fflwcs gwres uchaf waeth beth fo'r tymheredd craidd.

Er mwyn lleihau colledion ynni yn ystod beicio cryogenig: (1) Defnyddiwch wal PFA deneuach (0.5-1.0 mm) os yw cyfyngiadau mecanyddol a chemegol yn caniatáu hynny. (2) Cynyddu arwynebedd (gwresogydd diamedr hirach neu fwy) i wrthbwyso fflwcs gwres is. (3) Dewiswch ansawdd PFA gyda gwell dargludedd gwres (mae rhai graddau arbenigedd cystal â 0.25-0.30 W / mK, gwelliant o 25-50%). (4) Er mwyn sicrhau'r effeithlonrwydd gorau, defnyddiwch wresogydd metel gyda gorchudd PFA tenau (0.2-0.5 mm) yn lle gwain PFA llawn, ar draul ymwrthedd cemegol. (5) Ychwanegu pwmp ailgylchredeg i hybu h (hyd at 5000 W/m2.K) i leihau Rconv a gwneud RPFA yn ffactor tra-arglwyddiaethol ond sy'n dal i gyfyngu.

Os yw hon yn broses beicio cryogenig sy'n bodoli eisoes ac na allwch oddef colli egni, yna edrychwch ar y posibilrwydd o symud y gwresogydd i ddolen ailgylchredeg lle mae'r cyflymder llif yn uwch ac felly mae h yn well. Hefyd, gall y gwresogydd fod yn fwy o faint gan fod gofod yn llai o bremiwm. Gall gwresogydd PFA 2.5 mm mewn tanc llif araf drosglwyddo dim ond 2 MJ fesul cylchred. Byddai'r gwresogydd union yr un fath mewn dolen llif uchel (h=5,000) yn trosglwyddo 3.5 MJ y cylch -- gwelliant o 75%.

Casgliad: Mae Rhwystr PFA yn achosi 50-80% o Golled Ynni mewn Cylch Cryogenig Cyflym
Mae'r wain PFA yn ynysydd thermol mawr, ac mewn-i-weithrediadau seiclo poeth, mae'n arwain at golledion ynni o 50-80% o'i gymharu â gwresogydd metel noeth gyda rampiau o 30 munud neu lai. Mae'r golled ar gyfer wal PFA 1.5 mm tua 80% ar gyfer y ramp arferol 30 munud, 120 C. Mae'n rhaid i'r peirianwyr roi cyfrif am y golled hon wrth ddylunio'r gwresogyddion a chyfrifo'r amseroedd beicio. Gellir lleihau colled trwy nodi waliau teneuach (0.5-1.0 mm), graddau PFA dargludedd thermol mwy, mwy o arwynebedd arwyneb neu ddarfudiad gwell. Dylid ystyried dyluniadau gwresogyddion amgen (metel â gorchudd tenau, gwresogyddion mewn-lein â llif uchel) a lleihau trwch y rhwystr polymer ar gyfer cymwysiadau cylch cyflym lle mae effeithlonrwydd ynni yn hanfodol. Mae'r wain PFA yn cynnig ymwrthedd cemegol ond mae hefyd yn dagfa thermol. Mewn beicio cryogenig nid cywiriad bach yw'r dagfa hon ond y brif elfen mewn trosglwyddo gwres. Cyfrifwch y golled ac yna cynlluniwch o'i chwmpas. Mae esgeuluso rhwystr PFA yn arwain at wresogyddion rhy fach a 2-5x yn hirach na'r amseroedd beicio a gynlluniwyd.