Kaip skirtingos šildymo plokščių medžiagos (aliuminis, varis, plienas) lyginamos pagal šiluminį vienodumą?

Šildymo plokštė, kurios paviršius pasiskirsto 10 laipsnių kampu, sukels nenuoseklias dalis. Svarbiausias dalykas, kaip tolygiai paskirstoma šiluma iš šildymo šaltinių darbiniam paviršiui, yra medžiagos, iš kurios pagaminta plokštė, tipas. Tais atvejais, kai reikalingas tikslumas, pvz., puslaidininkių apdorojimas, laboratorinės kaitlentės, laminavimo presai ir medicinos prietaisų gamyba, terminis vienodumas yra tiesioginis produkto kokybės veiksnys. Aliuminis, varis ir plienas skiriasi savo šiluminėmis savybėmis. Norint pasirinkti tinkamiausią medžiagą šildymo plokštei, svarbu žinoti jų skirtumus.

Šilumos laidumas: vienodumo pagrindas
Šiluminis tolygumas yra tolygaus temperatūros pasiskirstymo per šildymo plokštės darbinį paviršių matas. Pagrindinė medžiagos savybė, lemianti vienodumą, yra šilumos laidumas. Tai greitis, kuriuo šiluma keliauja per medžiagą. Didesnis laidumas padeda plokštei greitai paskirstyti šilumą iš koncentruotų šilumos šaltinių (kasetinių šildytuvų, įlietų -elementų arba paviršiaus šildytuvų) ir užpildyti vėsias vietas. Ten, kur laidumas mažesnis, aplink kaitinimo elemento vietą dažniausiai lieka karštų dėmių.

Šilumos laidumo vertės kambario temperatūroje (apytiksliai, nes vertės gali šiek tiek skirtis priklausomai nuo lydinio ir temperatūros) turi būti pradinis taškas lyginant kaitinimo plokštės medžiagų šiluminį vienodumą:

Medžiagos tipinis tolygumas Mechaninis stiprumas Tipinis šilumos laidumas (W/m·K) Kaina Atsparumas korozijai
Varis (grynas C110) ~400 Puikus (geriausias) Vidutinis Prastas (oksiduoja, reikia padengti) Padidėjęs
Aliuminis (6061-T6) ~167 Puikus Nuo vidutinio iki gero (lengvas) Geras (sudaro pasyvuojantį oksidą) Švelnus
Plienas (304 nerūdijantis) ~16 Prastas (blogiausias) Aukštas (labai stiprus, kietas) Puikus (nerūdijančio plieno klasė) Vidutinis (iki 316)
Ryškus kontrastas tarp vario ir plieno. Varis praleidžia šilumą maždaug 25 kartus greičiau nei nerūdijantis plienas. Šis tarpas drastiškai pakeičia šilumos paskirstymo būdą iš vieno kasetinio šildytuvo, įkasto į plokštelę.

Varis: vienodumo karalius – už kainą
Varis neabejotinai yra pati geriausia medžiaga šiluminiam homogeniškumui užtikrinti. Tai natūralus šilumos sklaidiklis, kurio laidumas yra apie 400 W/m·K. Įdėjus 500 W kasetinį šildytuvą į varinę plokštę, šiluma pasklinda į šoną nuo šildytuvo taip greitai, kad visa plokštė per kelias minutes pasiekia beveik vienodą temperatūrą. Gerai -suprojektuotose sistemose karštosios vietos yra išlygintos, o temperatūros skirtumas darbiniame paviršiuje gali būti mažesnis nei 1–2 laipsniai.

Praktinės pasekmės:

Vienalyčiam paviršiui reikia mažiau kaitinimo elementų. Varinė plokštė gali pasiekti pakankamą vienodumą, kai centre yra tik vienas šildytuvas, o plienui reikės storos šildytuvų matricos arba atskiro šilumos sklaidytuvo sluoksnio.

Varis tinka naudoti, kai reikia itin{0}}plokščių temperatūrų profilių, pvz., tikslaus formavimo, plokštelių kaitinimo ir reakcijos indo kaitinimo.

Minusai:

Varis yra sunkus (tankis 8,96 g/cm3) ir tai gali būti nešiojamos ar pakabinamos įrangos trūkumas.

Aukštoje temperatūroje jis greitai oksiduojasi, sudarydamas juodą izoliacinę apnašą, kuri gali trukdyti šilumai perduoti ruošiniui. Taigi šildymui naudojamos varinės plokštės dažniausiai yra padengtos nikeliu, skardos arba aptrauktos nerūdijančio plieno lakštu.

medžiagos kaina yra daug didesnė nei aliuminio ar plieno.

Praktikoje dažnas hibridas yra variu{0}}plakuotas plieninis šerdis, kur stora vario danga užtikrina šilumos plitimą, o plieno pagrindas arba plieninė šerdis suteikia tvirtumo ir atsparumo dilimui.

Aliuminis: universalus{0}}darbo arklys
Aliuminis (ypač 6061 lydinys) yra labai geras šiluminių savybių, svorio ir sąnaudų kompromisas. Aliuminio šilumos laidumas yra apie 167 W/m•K, tai yra 40% vario, bet 10 kartų geresnis nei nerūdijančio plieno. Tai padeda aliuminiui gerai paskirstyti šilumą daugeliui pramoninių šildymo procesų iki 400 laipsnių.

Tolygumas: geros aliuminio kaitinimo plokštės gali užtikrinti 2–5 laipsnių temperatūros skirtumą 300 mm kvadratiniame plote, o tai yra pakankama daugeliui kietėjimo, džiovinimo ir pakaitinimo procedūrų. Aliuminis yra norma tose srityse, kuriose nereikia didelio vario reguliarumo.

Privalumai:

Lengvas (2,70 g/cm3), kad būtų lengva montuoti ir perkelti.

Natūraliai sukuria apsauginę aliuminio oksido dangą, kuri daugeliu sąlygų (išskyrus stiprias rūgštis ir šarmus) atspari korozijai.

Pigesnis nei varis, apdirbamas.

Apribojimai:

Jo maksimali eksploatavimo temperatūra yra žemesnė nei plieno ar vario. 6061 aliuminis praranda mechaninį stiprumą aukštesnėje nei 200–250 laipsnių temperatūroje ir gali labai suminkštėti. Aliuminis paprastai netinka naudoti aukštesnėje nei 300 laipsnių temperatūroje.

Aliuminis yra gana minkštas ir gali būti išraižytas arba pažeistas dėl didelių mechaninių apkrovų arba dažno įrankių sąlyčio.

Šilumos srauto modelis rodo, kad aliuminio laidumas yra pakankamas, kad būtų išlyginti temperatūrų skirtumai, atsirandantys dėl įtaisytųjų šildytuvų, jei šildytuvų atstumas yra maždaug 5–10 kartų didesnis už plokštės storį. Tinkamai suprojektuotas aliuminis pasižymi nepaprastu homogeniškumu ir nereikalauja didesnių išlaidų nei varis.

Plienas: stipriausias, bet nevienodas
Plienas, ypač austenitinis nerūdijantis plienas, pvz., 304 arba 316, turi mažiausią šilumos laidumą iš trijų pirminių kaitinimo plokščių medžiagų, dažnai maždaug 16 W/m·K. Ši maža vertė rodo, kad šiluma nedaug nukeliauja į šonus nuo šaltinio. Plieninėje plokštėje sumontuotas kasetinis šildytuvas sukuria aštrią karštą vietą tiesiai virš šildytuvo, o padėtis tarp šildytuvų arba plokštės kraštuose yra žymiai šaltesnė.

Vienodumo problemos: norėdami pasiekti vienodą plieninės kaitinimo plokštės temperatūrą, turite:

Storas kaitinimo elementų rinkinys (pvz., šildytuvai kas 25-50 mm), arba

Arba atskiras šilumos sklaidytuvo sluoksnis (vario arba aliuminio), pritvirtintas prie plieno, kad būtų sukurta kompozicinė plokštė

Tvirta konstrukcija pakeista vidiniais kanalais (plokšte), kuriuose yra skysčio.

Nesiėmus šių priemonių, plieninės plokštės temperatūrų skirtumai tarp skirtingų paviršiaus taškų gali siekti 10–20 laipsnių ir daugiau, o tai netiksliam darbui.

Kam tada rinktis plieną?

Didelis mechaninis stiprumas Plienas atsparus lenkimui, įbrėžimams ir įspaudimams. Plienas reikalingas aukšto slėgio presavimui, ty kelių sluoksnių laminavimui jėga.

Atsparumas korozijai: Nerūdijantis plienas atsparus korozijai, rūgštims ir oksiduojančioms cheminėms medžiagoms, todėl idealiai tinka naudoti švariose patalpose, farmacijoje ir šlapiuose procesuose.

Galimybė aukštai temperatūrai: Nerūdijantis plienas gali būti naudojamas nuolat 500–800 laipsnių temperatūroje, gerokai viršijant aliuminio ar pliko vario ribas.

Daugelyje pramoninių kaitlenčių yra plonas, nerūdijančio{0}}plieno lakštas, sujungtas su storu aliuminio arba vario pagrindu. Nerūdijantis plienas yra tvirtas, nelipnus, korozijai atsparus darbinis paviršius, o apačioje esantis aliuminis arba varis užtikrina šiluminę konsistenciją. Ši hibridinė konstrukcija yra geriausia iš abiejų medžiagų.

Šildytuvo išdėstymo ir plokščių geometrijos vaidmuo
Nors plokštės medžiaga nustato pagrindinį vienodumo apribojimą, dizaino niuansai taip pat svarbūs. Storesnės plokštės padeda skleisti šilumą bet kuriai medžiagai iš šono. Didesnis skerspjūvis-, skirtas karščiui įveikti . Tačiau storesnės plokštės taip pat prideda svorio ir šiluminės masės (lėčiau įkaista). Tiksliosiose programose naudojama baigtinių elementų analizė (FEA), siekiant optimizuoti šildytuvo atstumą, plokštės storį ir medžiagų pasirinkimą.

Didelis vario laidumas padeda pasiekti tokį pat vienodumą su plonesnėmis plokštėmis (6-10 mm), kaip ir su daug storesne plieno plokšte (25-40 mm). Šis svorio netekimas gali būti gana reikšmingas judant plokšteles.

Paraiška pagrįstos atrankos gairės
Taikymo prioritetas Rekomenduojamos plokštės medžiagos pagrindimas
Maksimalus homogeniškumas, maža mechaninė apkrova, švelni temperatūra (< 200 °C)Copper (plated or sheathed)Minimum temperature gradient, better heat spreading
Geras homogeniškumas, lengvas svoris, ekonomiškas{0}}efektyvumas, temperatūra<250°C Aluminum 6061Best balance Workhorse for most heating plates
Corrosive environment High temperature (>300C) Aukštas slėgis Nerūdijantis plienas (vario arba aliuminio paskirstymo sluoksnis arba skysčio kanalai) Stiprumas ir atsparumas korozijai, homogeniškumas reikalauja dizaino kompensacijos
Maksimalus patvarumas ir geras homogeniškumas Nerūdijančio plieno viršutinė plokštė, sujungta su aliuminio arba vario pagrindu.
Tiksliam naudojimui, kai temperatūros pokytis turi būti mažesnis nei ±2 laipsniai, beveik paprastai nurodomi vario arba vario- kompozitai. Dėl +/- 5 laipsnio tolerancijos ir biudžeto / svorio, aliuminis yra tinkamiausia medžiaga. Plienas retai naudojamas vienodumui jautrioms operacijoms, skirtas atšiaurioms situacijoms, kai neišgyvena joks kitas metalas, ir kai naudojami papildomi šilumos skirstytuvai arba nedideli šildytuvų atstumai.

Išvada
Plokštės medžiagos pasirinkimas yra tiesioginis kompromisas tarp šiluminių savybių, mechaninio stiprumo ir sąnaudų, o didesnį pasirinkimą dažnai lemia vienodumo reikalavimai. Varis užtikrina geriausią šiluminį homogeniškumą, tačiau reikalauja apsaugos nuo oksidacijos ir padidina išlaidas. Aliuminis yra puikus kompromisas, geras sklaidymas, lengvas svoris ir žema kaina. Plienas yra atsparus stipriam ir aukštai temperatūrai, tačiau iš esmės jis baisus skleisti šilumą, todėl turime būti atsargūs, projektuodami jį taip, kad jis būtų bet kokio priimtino vienodumo. Metalas yra terminis įrankio pagrindas; Tinkamos medžiagos pasirinkimas garantuoja pastovią gaminio kokybę, energijos vartojimo efektyvumą ir patikimą veikimą per visą šildymo plokštės tarnavimo laiką. Palyginus kaitinimo plokščių medžiagos šiluminį vienodumą, atsižvelgiant į laidumą, darbinę temperatūrą, mechaninį poveikį ir korozijos poveikį, bus gautas geriausias pasirinkimas bet kokiam pramoniniam šildymui.