Issiq suv yetkazib berish, tahliliy asbob namunalarini konditsioner qilish yoki tezkor kimyoviy reaktorlar kabi ilovalar uchun elektr isitgichlar orqali-oqimni loyihalash bo‘yicha muhandis-texnologlar uchun isitish elementining termal javob vaqti ko‘pincha uning barqaror-holat quvvati darajasi kabi muhim hisoblanadi. Tizim belgilangan haroratga soatlab emas, balki quvvat sarflangandan keyin bir necha soniya yoki bir necha daqiqa ichida erishishi kerak. Boshqarish algoritmi va quvvat manbai aniq rol o'ynasa-da, isitish elementining jismoniy konstruksiyasi-xususan, 316 zanglamaydigan po'latdan yasalgan g'ilofning devor qalinligi- qarshilik simidan oqayotgan suyuqlikka issiqlik qanchalik tez etkazilishiga asosiy cheklov qo'yadi. Ushbu maqola birlashtirilgan sig'im va vaqtinchalik issiqlik o'tkazuvchanligi tamoyillaridan foydalangan holda qobiq devorining qalinligi va termal javob vaqti o'rtasidagi bog'liqlikni aniqlaydi, umumiy qalinliklar uchun eksperimental tasdiqlangan vaqt konstantalarini taqdim etadi va tezkor javob dizaynning asosiy cheklovi bo'lgan ilovalar uchun tanlov tizimini o'rnatadi.
Silindrsimon qobiq orqali o'tkinchi issiqlik uzatish fizikasi
Immersion isitgichning qarshilik simiga elektr quvvati berilganda, sim kichik massa va yuqori qarshilik tufayli deyarli bir zumda-millisekundlar- ichida qiziydi. Keyin issiqlik magniy oksidi izolyatsiya qatlami orqali radial tarzda tashqariga o'tishi kerak, so'ngra suyuqlik chegara qatlamiga va nihoyat quyma texnologik suyuqlikka etib borgunga qadar 316 zanglamaydigan po'latdan yasalgan qobiq orqali o'tishi kerak. Vaqtinchalik javobni tahlil qilish uchun MgO qatlami va g'ilof devorining har biri termal massa va termal qarshilikka hissa qo'shadi. Shu bilan birga, g'ilof devorining qalinligi 0,8 mm dan 2,5 mm gacha bo'lgan va MgO qalinligi 1-2 mm gacha bo'lgan odatdagi isitgich geometriyalari uchun dominant vaqt konstantasi g'ilofning umumiy termal sig'imi va qobiq devori va suyuqlik chegara qatlamining issiqlik qarshiligi bilan belgilanadi. Silindrsimon g'ilof uchun termal vaqt konstantasi t (tau) birlik maydoniga g'ilofning issiqlik sig'imi va MgO ning tashqi yuzasidan quyma suyuqlikka bo'lgan umumiy issiqlik qarshiligining mahsuloti sifatida taxmin qilinishi mumkin. 316 g'ilofning hajmiy issiqlik sig'imi taxminan 3,9 MJ/m³·K (zichligi 8000 kg/m³ solishtirma issiqlik 490 J/kg·K ko'paytirilgan) bo'lgani uchun devor qalinligining har bir qo'shimcha millimetri g'ilof yuzasining kvadrat metriga taxminan 3,900 J issiqlik sig'imini qo'shadi. Ushbu saqlangan energiya tashqi sirt harorati sezilarli darajada ko'tarilgunga qadar qobiq tomonidan so'rilishi kerak. Amaliy nuqtai nazardan, qalinroq qobiq issiqlikni suyuqlikka samarali o'tkazishdan oldin qizdirilishi kerak bo'lgan kattaroq termal massa kabi ishlaydi.
Devor qalinligining ko'tarilishi uchun vaqt doimiy jazosini miqdoriy aniqlash
Isitgich elementining kirish quvvatidagi qadam o'zgarishiga termal javobi barqaror holatga eksponensial yondashuvdan keyin sodir bo'ladi. Yakuniy harorat ko'tarilishining 63,2% ga erishish uchun zarur bo'lgan vaqt termal vaqt doimiysi sifatida aniqlanadi. 1 m/s tezlikda oqayotgan suvda ishlaydigan devor qalinligi 1,0 mm bo'lgan 316 qoplamali isitgich uchun odatiy vaqt doimiysi taxminan 8-12 soniyani tashkil qiladi. Bu shuni anglatadiki, bir martalik doimiydan so'ng, chiqish harorati oxirgi deltaning 63% ga ko'tarildi; uch vaqt konstantasidan so'ng (24-36 soniya), u barqaror holatning 95% ga etadi. Qopqoq devorining qalinligini 1,6 mm ga oshirish termal sig'imni oshiradi va o'tkazuvchanlik qarshiligini biroz oshiradi. Vaqt konstantasi taxminan 14–18 soniyagacha choʻziladi-40–50% ga oshadi. Devor qalinligi 2,0 mm gacha ko'tarilganda, vaqt konstantasi 20-25 soniyagacha suriladi. 2,5 mm og'ir{27}}g'ilof uchun vaqt konstantasi 28–35 soniyaga etadi. Ushbu qiymatlar doimiy suyuqlik oqimini va nazorat pastadirining o'zaro ta'sirini nazarda tutmaydi. Haqiqatda, harorat sozlagichi aniq belgilangan nuqtani ushlab turishga harakat qiladi va qalinroq g'ilof bilan tebranadi, chunki boshqaruv sensori-odatda oqim ostida yoki qobiq yuzasida- quvvat o'zgarishiga sekinroq javob beradi. 1,0 mm, 1,5 mm va 2,0 mm 316 g‘ilofli bir xil isitgich kartridjlari yordamida 4 L/daqiqa suv oqimi aylanishida eksperimental tekshirish quyidagilarni ko‘rsatdi: 1,0 mm qoplama 22 soniya ichida barqaror{42}holat haroratining 90% ko‘tarilishiga erishdi; 1,5 mm g'ilofga 34 soniya kerak bo'ldi; 2,0 mm g'ilofga 48 soniya kerak bo'ldi. Ushbu qalinlik oralig'ida aloqa taxminan chiziqli bo'lib, devor qalinligining har 0,1 mm oshishi 90% javob vaqtiga taxminan 2,6 soniya qo'shadi.
Suyuqlik tezligi va qobiq diametri devor qalinligi bilan qanday o'zaro ta'sir qiladi
Qalinroq devorlarning termal ta'siri mutlaq emas, lekin suyuqlik{0}}yonidagi issiqlik uzatish koeffitsientiga kuchli bog'liq. Suyuqlikning past tezligida{2}}0,2 m/s-dan pastroq suyuqlik chegara qatlamining qarshiligi umumiy termal qarshilikda ustunlik qiladi. Bunday sharoitda g'ilof devorining qalinligi umumiy vaqt konstantasining kichikroq qismini tashkil qiladi, shuning uchun qalinlikni oshirish uchun jarima kamayadi. Misol uchun, turg'un yoki sekin harakatlanuvchi suyuqlikda 2,0 mm g'ilof 1,0 mm qobiqdan atigi 15-20% ko'proq vaqt konstantasiga ega bo'lishi mumkin, chunki suyuqlik qarshiligi cheklovchi omil hisoblanadi. Aksincha, suyuqlikning yuqori tezligi 2 m / s dan yuqori bo'lsa, chegara qatlamining qarshiligi juda kichik bo'ladi va g'ilof devorining qarshiligi va sig'imi ustunlik qiladi. Yuqori oqim{14}}ilovalarda qalinroq devorlar uchun vaqt o'zgarmas jazosi eng jiddiy-2,0 mm qoplama 1,0 mm qoplamaga qaraganda 60-80% sekinroq javob berishi mumkin. G'ilofning diametri devor qalinligi bilan ham o'zaro ta'sir qiladi. Muayyan devor qalinligi uchun kattaroq tashqi diametrli qobiq birlik uzunligi uchun katta termal massaga ega va sekinroq javob beradi. 1,5 mm devor qalinligi bo'lgan 12 mm OD niqobi ostida bir xil 1,5 mm devor qalinligi bo'lgan 10 mm OD qoplamiga qaraganda har bir metr uchun taxminan 30% ko'proq termal massa mavjud. Tezkor javob-ilovalar uchun eng kichik amaliy g‘ilof diametri va eng yupqa devor qalinligini tanlash eng qisqa vaqt konstantasini hosil qiladi.
Maxsus javob vaqti talablari uchun tavsiya etilgan maksimal devor qalinligi
Quyidagi jadvalda talab qilinadigan termal javob vaqtiga asoslanib, elektr isitish ilovalari orqali oqim- uchun tavsiya etilgan maksimal 316 g'ilof devori qalinligi berilgan. Qiymatlar 1 m/s tezlikda oqayotgan suvni, tashqi diametri 10-12 mm bo'lgan g'ilofni va kirish joyidan maqsadli haroratning 40 darajaga ko'tarilishini nazarda tutadi. Yuqori harorat ko'tarilishi yoki oqim tezligining pastligi uchun javob vaqtlari devor qalinligidan qat'i nazar, mutanosib ravishda oshadi.
| Kerakli 90% termal javob vaqti | Tavsiya etilgan maksimal 316 g'ilof devor qalinligi | Oddiy vaqt doimiysi t | Ilovaga misollar | Savdo{0}}Chegirmalar qabul qilinadi |
|---|---|---|---|---|
| < 15 seconds | 0,8 - 1,0 mm | 6-10 soniya | Analitik asboblar isitgichlari, yarimo'tkazgichli vannalar, tez tibbiy suv dispenserlari | Minimal mexanik mustahkamlik. Vibratsiya yoki bosim > 5 bar uchun mos emas. |
| 15-25 soniya | 1,0 - 1,3 mm | 10-15 soniya | Issiq suv isitgichlari, idish-tovoq yuvish mashinalari, laboratoriya sirkulyatsiyasi uchun vannalar-foydalanish nuqtasi- | O'rtacha mexanik kuch. Yengil sanoatda foydalanish uchun qabul qilinadi. |
| 25-40 soniya | 1,3 - 1,6 mm | 15-22 soniya | Mo''tadil oqimga ega bo'lgan sanoat texnologik isitgichlar, kimyoviy reaktorlarni oldindan qizdirish moslamalari | Yaxshi mexanik chidamlilik. Standart sanoat spetsifikatsiyasi. |
| 40-60 soniya | 1,6 - 2,0 mm | 22-30 soniya | Katta{0}}hajmli rezervuarli isitgichlar, yuqori{1}}bosimli tizimlar | Bosim darajasi va eroziyaga chidamlilik evaziga qabul qilingan sekin javob. |
| >60 soniya | 2,0 - 2,5 mm | 30-40 soniya | Yuqori{0}}bosimli avtoklavlar, qalin korroziyaga qarshi agressiv kimyoviy xizmat | Xavfsizlik va korroziyaga qarshi xizmat muddati ikkinchi darajali javob vaqti. Issiqlik massasi ustunlik qiladi. |
Devor qalinligini kamaytirmasdan javob berishni tezlashtirish uchun dizayn strategiyalari
Ilova qalin devorli 316{0}}qoplamaning mexanik yoki korroziyaga qarshi afzalliklarini va tez termal javobni talab qilsa, uchta dizayn strategiyasi bu qarama-qarshi talablarni ajratishi mumkin. Birinchi va eng samarali strategiya to'g'ridan-to'g'ri qobiq yuzasida joylashgan yuqori{4}}tezlikli termojuft bilan, harorat o'zgarishini taxmin qiluvchi prognoz yoki PID algoritmi bilan birlashtirilgan-yopiq halqa nazoratini amalga oshirishdir. Yuzaki{6}}oʻrnatilgan datchiklar quyi oqimdagi termojuftlarga qaraganda 5–10 baravar tezroq javob berib, qobiqning termal inertsiyasini qisman qoplaydi. Yaxshi sozlangan PID kontrolleri, hosilaviy taʼsirga ega-oddiy yoqish-oʻchirilgan boshqaruvi bilan 1.0 mm gʻilofga yaqinlashadigan 2,0 mm qobiq bilan javob vaqtlariga erisha oladi. Ikkinchi strategiya - quvvat manbaini haddan tashqari kattalashtirish va puls{15}}kenglik modulyatsiyasidan foydalanish. Qisqa impulslarda toʻliq quvvatni qoʻllash orqali{17}}masalan, 100 ms yoqilgan, 200 ms oʻchirilgan-qoplamaning harorati termal massani toʻliq zaryad qilmasdan modulyatsiya qilish mumkin. Ushbu usul o'rtacha issiqlik etkazib berishni g'ilofning tabiiy vaqt konstantasi taklif qilganidan ancha tezroq o'zgartirishga imkon beradi. Uchinchi strategiya isitgich geometriyasini o'z ichiga oladi. Yagona uzun isitish elementi o'rniga mustaqil boshqaruvga ega bo'lgan bir nechta qisqaroq elementlardan foydalanish quvvatni bosqichma-bosqich bajarishga imkon beradi. Tez javob berish uchun barcha elementlar bir vaqtning o'zida quvvatlanadi. Barqaror{26}}holatni saqlash uchun faqat quyi toʻplam ishlaydi. Ushbu yondashuv istalgan vaqtda faol termal massani ingichka devorga yaqinroq-ushlaydi.
Eksperimental tasdiqlash va amaliy chegaralar
25 graduslik kirish haroratida 2 L / min suv oqimi halqasida devor qalinligi 1,0 mm, 1,5 mm va 2,0 mm bo'lgan 316 ta qoplamali isitgichni taqqoslaydigan nazorat ostida tajribalar tasvirlangan munosabatlarni tasdiqlash imkonini beradi. Har bir isitgichga (bir xil uzunlik, 10 mm OD) 2 kVt qadam quvvat kiritish bilan 1,0 mm qoplama 19 soniya ichida chiqish haroratining 40 daraja ko'tarilishiga erishdi. 1,5 mm qoplama uchun 31 soniya kerak bo'ldi. 2,0 mm qoplama uchun 52 soniya kerak bo'ldi. Tajriba 0,5 mm qalinlikdagi mis qoplama-korroziyaga chidamliligi uchun amaliy boʻlmagan material, ammo foydali maʼlumot-bilan takrorlanganda, javob vaqti 7 soniyagacha qisqardi, bu 316 devor qalinligi haqiqatan ham dominant omil ekanligini tasdiqladi. Muhimi, tajribalar ikkinchi darajali ta'sirni ham aniqladi: qalinroq qobiqlar belgilangan nuqtaga erishgandan so'ng ko'proq harorat oshib ketishini ko'rsatdi. 2,0 mm qalinlikdagi g'ilof joylashishdan oldin maqsadli chiqish haroratini 6 darajaga oshirdi, 1,0 mm qoplama esa atigi 1,5 darajaga oshib ketdi. Bu haddan tashqari pasayish haroratga sezgir jarayonlar, masalan, biologik namunani isitish yoki aniq kimyoviy reaksiyalar-uchun muammoli. Bunday ilovalar uchun nozik{33}}devor ustunligi tezlikdan tashqari barqarorlikni ham qamrab oladi.
Xulosa: devor qalinligini dinamik ishlash talablariga moslashtirish
Ilovalar orqali oqim uchun -zanglamaydigan po'latdan yasalgan 316 ta qoplamali elektr isitgichlarni belgilovchi muhandislar uchun termal javob vaqti devor qalinligi, suyuqlik tezligi va g'ilof diametrining miqdoriy funksiyasi hisoblanadi. Aloqa taxminan 0,8 mm dan 2,5 mm oralig'ida chiziqli bo'lib, har 0,1 mm qo'shilgan qalinligi odatdagi suv oqimi sharoitida 90% javob vaqtini taxminan 2-3 soniyaga oshiradi. 1,0 mm qoplama bilan 20 soniyada javob beradigan isitgich 2,0 mm qoplama bilan 35-40 soniyani talab qiladi. Bu farq sezgir, yaxshi boshqariladigan{16}}tizimni sust va haddan tashqari oshirib yuborishga moyil bo'lgan tizimga aylantiradi. Muhandislik qarori qalinroq gʻilofning javob berish uchun “yomon” yoki yoʻqligi haqida emas-ilovaning talab qilinadigan javob vaqti mexanik mustahkam qobiqning termal massasiga bardosh bera oladimi yoki yoʻqmi. Tezkor javob-ilovalar uchun xavfsiz bosimni ushlab turish va korroziyaga qarshilikka mos keladigan eng yupqa devor qalinligini belgilash majburiydir. Mexanik chidamlilik yoki korroziyaga qarshi javob muddati ikkinchi darajali bo'lgan ilovalar uchun qalinroq qobiq qabul qilinadi, ammo boshqaruv tizimi sekinroq javob kutishlari bilan ishlab chiqilishi kerak. Isitgich ishlab chiqaruvchilardan narxlarni so'rashda muhandislar spetsifikatsiya sifatida kerakli devor qalinligini emas, balki talab qilinadigan 90% javob vaqtini ko'rsatishlari kerak. Bu yetkazib beruvchini mustaqil tanlov emas,-to‘liq termal tizim qalinligi, MgO zichligi, vatt zichligi va diametrini-integratsiyalashgan o‘zgaruvchilar sifatida ko‘rib chiqishga majbur qiladi.
