Kasetiniai šildytuvai, skirti skystojo azoto temperatūrai: projektavimas minus 196 laipsnių Celsijaus

Kriogeninėms saugojimo sistemoms, mokslinių tyrimų centrams ir specializuotiems gamybos procesams dažnai reikia kaitinimo elementų, kurie gali pradėti veikti net iki minus 196 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Kai standartiniai kasetiniai šildytuvai yra veikiami tokio didelio šalčio, jie labai sugenda, atsiranda terminio smūgio įtrūkimų, sandariklio gedimo arba elektros degradacijos požymių, todėl jie tampa beverčiai kriogeninėms reikmėms. Žinant specializuotą inžineriją, reikalingą šiems atšiauriems parametrams, galima pasirinkti šildymo sistemas, kurios gerai veiktų įvairiuose temperatūrų diapazonuose – nuo ​​kriogeninės iki aukšto veikimo lygio.

Šiluminis šokas, kuris įvyksta, kai paleidžiate nuo - 196 laipsnių, medžiagoms, kurios yra per stiprios, mechaninės apkrovos. Kai elektra teka per varžos laidą kriogeninėje temperatūroje, ji iš karto pradeda gaminti šilumą. Magnio oksido izoliacija ir metalinis apvalkalas aplink jį išlieka skysto azoto temperatūroje. Dėl to per pirmąsias kelias veikimo sekundes tarp medžiagų sąsajų susidaro temperatūros gradientai, didesni nei 800 laipsnių Celsijaus per centimetrą. Standartiniai nerūdijančio plieno 304 apvalkalai, tinkami bendram pramoniniam naudojimui, tokiomis sąlygomis lengvai lūžta, nes perėjimas nuo plastiškumo -į-trapus vyksta gerokai aukštesnėje nei skysto azoto temperatūra. Specializuotos medžiagos, pvz., Inconel 625, išlieka lanksčios ir nepradeda dūžti net ir greitai kintant temperatūrai dėl kriogeninių sąlygų.


Renkantis medžiagas skysto azoto aptarnavimui, reikia pagalvoti, kaip jos veiks esant bet kokiai temperatūrai. Inconel 625 yra superlydinys, pagamintas iš nikelio, chromo ir molibdeno, puikiai tinkantis kriogeninių šildytuvų apvalkalams. Lydinys yra tvirtas ir patvarus nuo kriogeninės temperatūros iki 980 laipsnių Celsijaus, o jo atsparumas nuovargiui išlieka puikus net esant skysto azoto temperatūrai. Nikelis daro metalą atsparų chlorido įtempių korozijos įtrūkimams, chromas – oksidacijai, o molibdenas – taškinei ir plyšinei korozijai. Dėl šių savybių Inconel 625 yra puikus pasirinkimas šildytuvams, kai temperatūra daug kartų kinta tarp kriogeninės ir aukštos temperatūros.

Drėgmės valdymas yra labai svarbus kriogeninių{0}}kasetinių šildytuvų vidaus struktūrai. Aukšto -grynumo magnio oksido izoliacija puikiai tinka, kad per ją nepatektų elektros ir šilumos, tačiau ji gali sugerti drėgmę, o tai yra didelė problema esant kriogeninei temperatūrai. Vandens garai, kurie yra įstrigę šildytuvo korpuse gamybos metu arba patenka per blogus sandariklius, užšals ir išsiplės iki minus 196 laipsnių. Tai sukurs pakankamai slėgio viduje, kad sulaužytų sutankintą izoliaciją arba atplėštų apvalkalą nuo galinių sandariklių. Du būdai, kaip aukščiausios kokybės gamybos procesai išspręsti šią problemą, yra vakuuminio-užpildymo procedūros, kurių metu pašalinamos tuštumos, o po to hermetinis sandarinimas naudojant keraminius-su-metalinius junginius arba specialius epoksidinius junginius, pagamintus tik kriogeniniam darbui. Prieš išsiųsdami, po{11}}gamybinio kepimo{12}}120–150 laipsnių Celsijaus temperatūroje įsitikinkite, kad pašalinta visa likusi drėgmė.

Kai atsparios vielos medžiagos yra skysto azoto temperatūroje, jų elektrinės savybės labai pasikeičia, o tai įtakoja šildytuvo veikimą taip, kaip nepasitaiko įprastose situacijose. Nikelio -chromo lydinių atsparumas minus 196 laipsnių temperatūrai mažesnis nei normalioje temperatūroje. Tai reiškia, kad jie naudoja daugiau srovės ir sukuria daugiau energijos, kai pradeda veikti šaltai. Ši funkcija iš pradžių buvo naudinga norint išvengti didžiulio kriogeninės aplinkos šiluminio kriauklės efekto, tačiau ji taip pat labiau apkrauna laidą ir reiškia, kad valdymo sistemos turi sugebėti atlaikyti laikinas perkrovas. Kurdami valdymo sistemą, turite pagalvoti apie NiCr 80/20 laido atsparumo temperatūros koeficientą, kad išvengtumėte nemalonaus išjungimo ar karščio pažeidimo paleidimo metu.

Apskaičiuodami galios tankį kaitinant skystu azotu, turite atsižvelgti į didelį šilumos šalinimo efektą. Standartinėse pramoninėse sąlygose įprastas galios tankis yra nuo 20 iki 40 vatų kvadratiniam centimetrui. Tačiau kriogeniniuose nustatymuose dažnai reikalingas 50–60 vatų galios tankis kvadratiniame centimetre, kad temperatūra būtų stabili, kad būtų išvengta nuolatinio terminio ištraukimo iš aplinkinės terpės. Dėl šio didesnio galios tankio vidinių dalių, ypač varžos laido, kur vietinė temperatūra gali priartėti prie saugių eksploatavimo ribų, net tada, kai išorinis apvalkalas išlieka vėsus, šiluminė įtampa yra labiau apkrauta. Sukūrus geriausią galios tankį, kaitinimo elemento formą ir šilumos perdavimo efektyvumą užtikrinama, kad sistema veiktų patikimai ir per anksti nesuges.

Esant skysto azoto temperatūrai, šaltojo galo projektavimas ir švino laidų išdėstymas yra sunkesnis. Standartiniai silikoninės gumos sandarikliai tampa kieti ir lūžta esant minus 196 laipsnių temperatūrai, todėl gali atsirasti įtrūkimų, dėl kurių patenka drėgmė iš oro ir gali atsirasti gedimų. Silikoniniai junginiai, turintys kriogeninį įvertinimą, keraminiai -į-metaliniai sandarikliai arba epoksidinės kompozicijos išlaiko sandarinimo savybes net ir labai kintant temperatūrai. Švino laido izoliacija taip pat neturi tapti trapi. Standartiniai PVC junginiai visiškai sugenda, o teflono ar stiklo pluošto{7}}pinti laidininkai išlaiko savo dielektrines savybes ir lankstumą. Laidai turi būti išvedžioti taip, kad būtų galima šiluminį susitraukimą neapkrauti gnybtų. Taip yra todėl, kad šalto metalo ir izoliacijos susitraukimo skirtumas sukuria didelę mechaninę įtampą.

Naudojant skystą azotą daiktams atvėsinti, reikia pakeisti montavimo procesus, kad būtų atsižvelgta į pernelyg didelį terminį susitraukimą. Esant normaliai temperatūrai, tvirtai prigludęs kiaurymės skersmuo minus 196 laipsnių temperatūroje tampa laisvas, nes aplink jį esantis metalas susitraukia labiau nei šildytuvo apvalkalas. Šioje erdvėje susidaro oro tarpai, kurie trukdo šildytuvui efektyviai perduoti šilumą ir sukelia vietinį perkaitimą. Kriogeninėms paslaugoms pagal inžinerines specifikacijas paprastai reikalaujama griežtesnių trukdžių, kartais 0,08–0,10 milimetrų, siekiant užtikrinti, kad darbinėje temperatūroje būtų pakankamai kontaktinio slėgio. Kriogeninėms temperatūroms pritaikyti anti-junginiai palengvina techninę priežiūrą ir užtikrina šilumos laidumą per kontaktą.

Skysto azoto temperatūros sistemų valdymo sistemos architektūroje turi būti atsižvelgta į ypatingą kriogeninių sistemų šilumos kaupimo būdą. Didžiulė įrankių ar technologinių medžiagų šiluminė masė minus 196 laipsnių temperatūroje sukelia laiko konstantas, kurios yra daug didesnės nei aplinkos taikomųjų programų, todėl tradiciniai PID valdymo algoritmai tampa mažiau veiksmingi. Dėl agresyvių derinimo nustatymų temperatūra pakyla ir mažėja ir sukelia šiluminį šoką, o konservatyvūs pasirinkimai pailgina šildymo periodus. Dėl pažangių valdymo strategijų, pvz., nukreipimo į priekį kompensavimo, adaptyvaus stiprinimo planavimo arba modeliu{4}}pagrįsto nuspėjamojo valdymo, šildymo profiliai geriau veikia esant tokioms sudėtingoms šiluminėms sąlygoms. Jie suranda greičio ir stabilumo pusiausvyrą ir apsaugo tiek šildytuvą, tiek šildomą įrangą nuo šiluminės žalos.

Skysto azoto{0}}kasetiniai šildytuvai yra naudingi įvairiose mokslo ir pramonės srityse, parodydami, kokie jie universalūs. Kriogeninių tyrimų įranga naudoja šiuos šildytuvus, kad išlaikytų pastovią optinių stendų temperatūrą, sustabdytų kondensato susidarymą ant svarbių paviršių ir užtikrintų tikslią šilumos kontrolę aplinkos modeliavimo kamerose. Farmacijos džiovinimo šalčiu{3} sistemoms reikia kasetinių šildytuvų, kad lentynų temperatūra būtų neviršijant leistinų nuokrypių, net kai kameroje yra kriogeninė temperatūra. Tai leidžia jiems valdyti sublimacijos greitį. Šie šildytuvai naudojami aviacijos ir kosmoso antžeminėje pagalbinėje įrangoje, kad būtų galima paruošti dalis ir skysčius nuo šalčio dideliame aukštyje. Siekiant išvengti gesinimo ir šiluminės kontrolės, medicininio vaizdo gavimo ir dalelių fizikos srityse reikia integruoti šildytuvą į jų superlaidžių magnetų sistemas. Kiekvienam naudojimui šildytuvo specifikacijos turi būti kruopščiai suderintos su šiluminėmis apkrovomis, klimato sąlygomis ir patikimumo poreikiais.

Kadangi kriogeninėse sistemose sunku pasiekti sugedusius šildytuvus, skysto azoto temperatūros įrenginių priežiūros režimai naudoja nuspėjimo metodus. Reguliariai matuojant izoliacijos varžą, į vidų gali patekti drėgmė arba izoliacija sugenda prieš tai, kai tai sukels didelį gedimą. Šiluminiu vaizdavimu galima rasti karštų dėmių, rodančių, kur susidaro oro tarpai arba sugenda šildytuvai. Stebėdami darbo valandas ir šilumos ciklus, galite suprasti, kiek ilgiau medžiaga tarnaus priklausomai nuo to, kaip greitai ji suyra. Šie prognozavimo metodai ypač naudingi naudojant skystąjį azotą, nes pakeitus šildytuvą gali prireikti daug prastovų ir sunaudoti šilumos energijos. Investicijos į kriogeniškai{5}}įvertintus kasetinius šildytuvus su tinkamomis medžiagomis ir konstrukcijos kokybe ilgainiui atsiperka, nes pailgėja priežiūros intervalai ir sumažėja netikėtų gedimų, galinčių sustabdyti svarbią veiklą, rizika.