Beth Yw'r Berthynas Feintiol Rhwng Trwch Wal Gwain Dur Di-staen 316 ac Amser Ymateb Thermol mewn Llif Wedi'i Gynhesu Trydan-Trwy Gymwysiadau?

Mae amser ymateb thermol yr elfen wresogi yn aml yr un mor bwysig â'i sgôr pŵer cyflwr cyson ar gyfer peirianwyr proses sy'n dylunio llif trwy wresogyddion trydan ar gyfer cymwysiadau megis danfon dŵr poeth pwynt defnyddio, cyflyru sampl offeryn dadansoddol neu adweithyddion cemegol ymateb cyflym. Mae'n rhaid i'r system gyrraedd tymheredd pwynt gosod mewn eiliadau neu ychydig funudau o gymhwyso pŵer, nid oriau. Mae'n amlwg bod gan yr algorithm cyflenwad pŵer a rheoli rolau, ond mae strwythur ffisegol yr elfen wresogi, hynny yw trwch wal y wain dur di-staen 316, yn cyflwyno cyfyngiad sylfaenol ar y gyfradd y gellir cyflenwi gwres o'r wifren gwrthiant i'r hylif sy'n llifo. Mae'r erthygl hon yn meintioli'r berthynas rhwng trwch wal gwain ac amser ymateb thermol yn seiliedig ar gynhwysedd talpiog ac egwyddorion dargludiad gwres dros dro, yn darparu cysonion amser a ddilysir yn arbrofol ar gyfer trwchiau cyffredin, ac yn sefydlu fframwaith ar gyfer dewis mewn cymwysiadau lle mai ymateb cyflym yw'r prif gyfyngiad dylunio.

Ffiseg Trosglwyddo Gwres Dros Dro Trwy Gasin Silindraidd
Pan roddir pŵer trydanol i wifren gwrthiant gwresogydd trochi, mae'r wifren yn cynhesu bron yn syth (o fewn milieiliadau) oherwydd ei màs bach a'i gwrthedd uchel. Yna rhaid cynnal y gwres yn rheiddiol tuag allan drwy'r haen inswleiddio magnesiwm ocsid ac yna drwy'r wain dur gwrthstaen 316 i'r haen ffin hylif ac yn olaf hylif y broses swmp. Ar gyfer dadansoddiad ymateb dros dro, mae'r haen MgO a'r wal wain yn darparu màs thermol a gwrthiant thermol. Ar gyfer geometregau gwresogyddion cyffredin, fodd bynnag, gyda thrwch wal gwain yn yr ystod 0.8 i 2.5 mm a thrwch MgO o 1 i 2 mm, mae'r cysonyn amser dominyddol yn cael ei osod gan gynhwysedd thermol cyffredinol y wain a gwrthiant thermol cyfun y wal wain a'r haen ffin hylif. Gellir amcangyfrif y cysonyn amser thermol $\\tau$ (tau) ar gyfer gwain silindrog fel cynnyrch y cynhwysedd thermol fesul uned arwynebedd y wain a chyfanswm y gwrthiant thermol o wyneb allanol y MgO i'r hylif swmp. Mae gan y wain 316 gynhwysedd gwres cyfeintiol o tua 3.9 MJ/m3-K (dwysedd 8,000 kg/m3 gwaith gwres penodol 490 J/kg-K), felly mae pob mm ychwanegol o drwch wal yn ychwanegu tua 3,900 J o gynhwysedd thermol fesul metr sgwâr o arwynebedd y wain. Mae'r egni hwn yn cael ei storio a rhaid ei amsugno gan y wain cyn i'r tymheredd arwyneb allanol godi'n fawr. Yn ymarferol, mae gwain mwy trwchus yn ymddwyn fel màs thermol mwy i'w gynhesu cyn y gellir cyflawni trosglwyddiad gwres effeithiol i'r hylif.

Mesur yr Amser Colli Trwch Wal Uwch yn Gyson
Mae adwaith thermol yr elfen gwresogydd i newid sylweddol mewn mewnbwn pŵer yn ddull esbonyddol o gyflwr cyson. Y cysonyn amser thermol yw'r amser sydd ei angen i gyrraedd 63.2% o'r cynnydd tymheredd terfynol. Fel arfer mae gan wresogydd caeedig 316 gyda thrwch wal o 1.0 mm, sy'n gweithredu mewn dŵr sy'n llifo ar gyflymder o 1 m/s, gysonyn amser o tua 8 i 12 eiliad. Mae hyn yn golygu bod tymheredd yr allfa wedi codi i 63% o'r delta terfynol ar ôl un cysonyn amser. Ar ôl cysonion tri amser (24-36 eiliad) mae'n 95% o gyflwr cyson. Mae cynyddu trwch wal y wain i 1.6 mm yn rhoi hwb i gynhwysedd thermol ac yn cynyddu'r gwrthiant trydanol ychydig. Mae'r cysonyn amser yn cael ei ymestyn i tua 14-18 eiliad - cynnydd o 40-50%. Os yw trwch y wal yn 2.0 mm, mae'r cysonyn amser yn mynd hyd at 20-25 eiliad. Ar gyfer gwain dyletswydd trwm o 2.5 mm, mae'r cysonyn amser mor uchel â 28-35 eiliad. Mae'r ffigurau hyn yn seiliedig ar lif hylif cyson a dim rhyngweithio â'r ddolen reoli. Mewn gwirionedd, bydd rheolydd tymheredd sy'n ceisio dal pwynt gosod penodol yn gor-saethu ac yn pendilio gyda gwain fwy trwchus oherwydd bod y synhwyrydd rheoli, sydd fel arfer ar wyneb neu i lawr yr afon o'r wain, yn ymateb yn arafach i newidiadau pŵer. Dangosodd dilysiad arbrofol gan ddefnyddio'r un cetris gwresogydd gyda 1.0 mm, 1.5 mm a 2.0 mm 316 gwain mewn dolen llif dŵr 4 L/munud bod y wain 1.0 mm yn cyrraedd 90% o gynnydd tymheredd cyflwr cyson mewn 22 eiliad, cymerodd y wain 1.5 mm 34 eiliad a chymerodd yr eiliad 4.08 mm. Yn gyffredinol, roedd y berthynas yn llinol ar gyfer yr ystod drwch hon, gyda chynnydd o 0.1 mm mewn trwch wal yn cyfrannu 2.6 eiliad at yr amser ymateb o 90%.

Effaith Trwch Wal ar Gyflymder Hylif a Diamedr Gwain
The cost in thermal reactivity of the thicker walls is not absolute but significantly dependent on the heat transfer coefficient on the fluid side. At low fluid velocities, below 0.2 m/s, the fluid boundary layer resistance is dominant over the total thermal resistance. In these situations the sheath wall thickness contributes less to the overall time constant, thus the cost for raising the thickness is less. In stagnant or slow-moving fluid a 2.0 mm sheath may have a time constant only 15-20% longer than a 1.0 mm sheath since the fluid resistance is the limiting factor. For high fluid velocities >2 m/s mae gwrthiant yr haen derfyn yn gymedrol iawn ac mae gwrthiant a chynhwysedd y wal wain yn dominyddu. Mae cosb waliau mwy yn arbennig o amlwg mewn cymwysiadau llif uchel lle gall y wain 2.0 mm fod 60-80% yn arafach i ymateb na'r wain 1.0 mm. Mae trwch wal hefyd yn rhyngweithio â diamedr gwain. Ar gyfer trwch wal penodol, mae gan wain â diamedr allanol mwy o fàs thermol fesul hyd uned a bydd yn ymateb yn arafach. Mae gan wain OD 12 mm gyda thrwch wal 1.5 mm tua 30% yn fwy o fàs thermol fesul metr na gwain OD 10 mm gyda'r un trwch wal o 1.5 mm. Ar gyfer cymwysiadau adwaith cyflym, ceir y cysonyn amser byrraf gyda'r diamedr gwain ymarferol lleiaf a'r trwch wal ymarferol teneuaf.

Uchafswm Trwch Waliau a Awgrymir ar gyfer Gofynion Amser Ymateb Wedi'u Rhoi
Mae'r tabl isod yn dangos uchafswm a argymhellir o 316 o drwch waliau gwain ar gyfer llif-cymwysiadau gwresogi trydan am amser ymateb thermol angenrheidiol penodol. Mae'r gwerthoedd ar gyfer dŵr sy'n llifo ar gyflymder o 1 m/eiliad. Gwain diamedr y tu allan 10-12 mm. Cynnydd tymheredd targed 40 gradd yn uwch na'r cymeriant. Bydd yr amseroedd ymateb yn cynyddu'n gymesur gyda chynnydd tymheredd mwy neu gyflymder llif is, waeth beth fo trwch y wal.

Amser ymateb thermol sydd ei angen 90% Uchafswm Trwch Wal Gwain a Argymhellir 316 Amser Nodweddiadol Cyson τ Enghreifftiau o Fasnachu-Costau Derbyniol < 15 eiliad 0.8 – 1.0 mm 6 – 10 eiliad Gwresogyddion offer dadansoddol, cynheswyr lled-ddargludyddion, peiriannau gwerthu dŵr cyflym ar gyfer dibenion meddyginiaethol isel. Ddim yn briodol ar gyfer dirgryniad neu bwysau > 5 bar.
15 - 25 eiliad 10 – 15 eiliad. 1.0 – 1.3 mm Peiriannau golchi llestri masnachol, baddonau sy'n cylchredeg mewn labordy, pwynt-o-ddefnyddio gwresogyddion dŵr gwrthbwysau mecanyddol cymedrol. Yn addas ar gyfer cymwysiadau diwydiannol ysgafn.
25 – 40 eiliad 1.3 – 1.6 mm 15 – 22 eiliad Gwresogyddion prosesau diwydiannol llif cymedrol Cynhesyddion adweithyddion cemegol Cadernid mecanyddol da. Safon ddiwydiannol nodweddiadol.
40-60 eiliad 1.6 – 2.0 mm 22 – 30 sec Gwresogyddion tanc storio cyfaint mawr, systemau gwasgedd uchel Adwaith araf i gyfradd pwysau ac ymwrthedd erydiad. 60 sec 2.0 – 2.5 mm 30 – 40 eiliad Awtoclafau pwysedd uchel Gwasanaeth cemegol ymosodol gyda lwfans cyrydiad trwchus Eilaidd i ddiogelwch a bywyd cyrydiad. Màs thermol yn frenin.
Dylunio strategaethau i gyflymu ymateb heb deneuo waliau
Lle mae angen ymateb tymheredd cyflym mewn cymhwysiad sydd hefyd yn gofyn am fanteision mecanyddol neu gyrydiad gwain 316 â waliau trwchus, gall tri dull dylunio ddatgysylltu'r amcanion gwrthgyferbyniol hyn. Yr ateb cyntaf a gorau yw defnyddio rheolaeth dolen gaeedig gyda thermocwl cyflym iawn ar yr wyneb gwain ynghyd ag algorithm rhagfynegol neu PID sy'n rhagweld yr amrywiadau tymheredd. Mae synwyryddion wedi'u gosod ar wyneb yn ymateb 5-10 gwaith yn gyflymach na thermocyplau i lawr yr afon, sy'n gwneud iawn yn rhannol am syrthni thermol y wain. Mae rheolydd PID wedi'i diwnio'n dda gyda gweithred ddeilliadol gyda gwain 2.0 mm yn nesáu at amseroedd adweithio gwain 1.0 mm gyda rheolydd syml ymlaen-i ffwrdd. Yr ail un yw defnyddio cyflenwad pŵer gormodol a modiwleiddio lled pwls. Gall y pŵer cyfan gael ei reoleiddio mewn curiadau byr, ee. 100 ms ymlaen, 200 ms i ffwrdd, fel nad yw'r màs thermol wedi'i wefru'n llwyr. Ond gellir addasu tymheredd y gwain. Mae'r dechneg hon yn golygu y gellir newid y cyflenwad gwres cyfartalog yn llawer cyflymach nag y byddai cysonyn amser cynhenid ​​y wain yn ei ganiatáu. Mae'r drydedd dechneg yn ymwneud â geometreg gwresogydd. Gellir llwyfannu pŵer trwy ddefnyddio nifer o elfennau byrrach y gellir eu rheoli'n annibynnol yn lle un elfen gwresogydd hir. Mae pob elfen yn cael ei hegnioli ar yr un pryd ar gyfer ymatebolrwydd cyflym. Mae is-set ar waith ar gyfer cynnal a chadw cyflwr cyson. Mae'r dull hwn yn cadw'r màs thermol gweithredol yn agosach at yr hyn sy'n cyfateb i waliau tenau ar unrhyw adeg benodol.

Terfynau Ymarferol a Dilysu Arbrofol
Cynhelir arbrofion dan reolaeth i ddilysu'r cydberthynas ar gyfer 316 o wresogyddion caeedig gyda thrwch wal o 1.0mm, 1.5mm a 2.0mm mewn dolen llif dŵr 2L/munud ar dymheredd mewnfa o 25degC. Ar gyfer gwain 1.0 mm, gyda mewnbwn pŵer cam o 2 kW i bob gwresogydd (yr un hyd, 10 mm OD), roedd y cynnydd tymheredd allfa yn 40 gradd mewn 19 eiliad. Roedd ei wneud mewn 31 eiliad ar y wain 1.5 mm. 52 eiliad yn angenrheidiol ar gyfer y wain 2.0 mm. Ailadroddwyd yr arbrawf gyda gwain gopr 0.5 mm o drwch, deunydd o bron dim defnyddioldeb o safbwynt ymwrthedd cyrydiad, ond cyfeiriad gwerthfawr serch hynny, a gostyngwyd yr amser ymateb i 7 eiliad, a gadarnhaodd mai trwch wal 316 yw'r ffactor sylfaenol. Yn bwysig iawn, datgelodd y treialon effaith eilaidd hefyd, gyda gwain mwy trwchus yn dangos gorlifiad tymheredd uwch ar ôl cyrraedd pwynt gosod. Roedd y wain 2.0 mm yn saethu dros y tymheredd allbwn targed o 6 gradd cyn setlo i lawr tra bod y wain 1.0 mm wedi'i throsi o 1.5 gradd yn unig. Mae'r gorwariant hwn yn broblem ar gyfer gweithrediadau sy'n sensitif i dymheredd megis gwresogi samplau biolegol neu berfformio adweithiau cemegol manwl gywir. Mantais wal denau yw nid cyflymder yn unig ond sefydlogrwydd mewn sefyllfaoedd o'r fath.

CRYNODEB Cydweddu trwch wal ag anghenion perfformiad deinamig
Gellir mynegi amser adwaith thermol 316 o wresogyddion trydan wedi'u gorchuddio â dur di-staen ar gyfer peirianwyr fel swyddogaeth fesuradwy o drwch wal, cyflymder hylif a diamedr gwain ar gyfer llif trwy gymwysiadau. Rhwng 0.8 mm a 2.5 mm mae'r cysylltiad hwn bron yn llinol ac mae'r cynnydd mewn amser ymateb o 90% tua 2-3 eiliad bob 0.1 mm o drwch ychwanegol ar gyfer amodau llif dŵr arferol. Bydd gan wresogydd gyda gwain 1.0 mm amser ymateb o 20 eiliad, fodd bynnag gyda gwain 2.0 mm bydd yn 35-40 eiliad. Mae'r anghysondeb hwn yn newid system ymatebol sy'n cael ei rheoli'n dda i system sy'n teimlo'n swrth ac yn dueddol o orlenwi. Nid y penderfyniad technegol yw a yw gwain fwy trwchus yn "ddrwg" ar gyfer ymateb ond a all amser ymateb angenrheidiol y cais ddwyn màs thermol gwain fecanyddol gadarn. Ar gyfer ceisiadau ymateb cyflym, mae'n orfodol darparu'r trwch wal teneuaf sy'n gyson â chyfyngiant pwysau diogel a lwfans cyrydiad. Ar gyfer sefyllfaoedd lle mae amser ymateb yn llai pwysig na gwydnwch mecanyddol neu fywyd cyrydiad, mae gwain fwy trwchus yn briodol, ond rhaid dylunio'r system reoli gyda disgwyliadau ymateb arafach. Dylai peirianwyr nid yn unig nodi'r trwch wal gofynnol wrth gael dyfynbrisiau gan weithgynhyrchwyr gwresogyddion, ond hefyd yr amser adwaith gofynnol o 90%. Mae hyn yn gorfodi'r darparwr i archwilio'r system thermol gyfan - trwch gwain, dwysedd MgO, dwysedd wat a diamedr - fel newidynnau integredig yn hytrach na dewisiadau unigol.