Kaip pasirinkti šildymo plokštę kriogeninei{0}}iki-aukštai{2}}temperatūrai?

Konkrečiai bandymo kamerai reikės kaitinimo plokštės, kuri per kelias minutes gali pasiekti nuo užšalimo -180 laipsnių iki iškepimo +300 laipsnių dešimtis tūkstančių ciklų. Esant tokiam stipriam šiluminiam ciklui, įprastos aliuminio arba anglinio plieno plokštės greitai sugestų dėl deformacijos, nuovargio įtrūkimų arba trapių lūžimų. Medžiaga, naudojama šiam vaidmeniui, turi veikti kaip didelio našumo mechaninis atletas, galintis atlaikyti pasikartojančius karščio įtempius neprarandant konstrukcijos vientisumo.

Medžiagos pasirinkimas kaitinimo plokščių kriogeninėms aukštos temperatūros ciklinėms reikmėms yra tiek nuovargio ir lūžimo, tiek šiluminės konstrukcijos problema.

Sunkiojo šiluminio dviračio poreikių supratimas
Žemo ciklo nuovargis kaip pagrindinis gedimo mechanizmas.
Sistemose su dideliu šiluminiu ciklu vyraujantis gedimo režimas yra mažas{0}}ciklo nuovargis, atsirandantis dėl pasikartojančio terminio plėtimosi ir susitraukimo. Su kiekvienu greitu temperatūros svyravimu įvedama:

Tempimo ir gniuždymo apsisukimai

Plastinės deformacijos kaupimasis

Mikroįtrūkimų atsiradimas įtempių koncentracijos taškuose

Plyšių augimas esant ciklinei apkrovai

Laikui bėgant šie efektai atsiranda tol, kol struktūra sugenda.

Papildomas stresas dėl terminių gradientų
Net jei medžiaga turi geras šilumines charakteristikas, vidaus temperatūros gradientai gali sukelti papildomą įtampą. Jei šildymas ir vėsinimas nėra vienodi, vietinis diferencinis išsiplėtimas gali sukelti:

Plokštelių paviršių deformacija

Montavimo sąsajų iškraipymas

Nereguliari mechaninė tvirtinimo detalių apkrova

Greitas tam tikrų sričių nuovargis

Dėl šios priežasties medžiagų parinkimas ir šiluminės sistemos projektavimas turėtų būti tiriami kartu.

„Medžiagų elgsena žemoje ir aukštoje temperatūroje
Anglies plieno trūkumai
Gerai žinoma, kad standartinis anglinis plienas žemoje temperatūroje tampa vis trapesnis ir kriogeniniame režime ryškus plastiškas{0}}trapus pokytis. Atsparumas lūžiams gali smarkiai nukristi žemiau -20 laipsnių, padidindamas greito katastrofiško gedimo pavojų.

Dėl šios savybės anglinis plienas netinkamas intensyvaus kriogeninio ciklo nustatymams.

Nerūdijantis plienas – austenitas
Nerūdijančio plieno, pvz., 304 l ir 316 l, kubinė kristalų struktūra, orientuota į veidą, suteikia jiems didelį patvarumą esant kriogeninei temperatūrai. Tarp pagrindinių privalumų yra:

Tvirtumas žemoje temperatūroje

Geras atsparumas korozijai

Vidutinė kaina, palyginti su superlydiniais

Tačiau dėl palyginti aukšto šiluminio plėtimosi koeficiento atsiranda didelė ciklinė įtampa greito kaitinimo ir aušinimo metu, o tai padidina nuovargio apkrovą per ilgą tarnavimo laiką.

Superlydiniai (nikelio bazė)
Daugelyje reikliausių šilumos ciklo sistemų nikelio{0}} lydiniai, pvz., Inconel 625 ir Inconel 718, yra aukščiausios našumo alternatyva.

Tarp jų privalumų yra:

Puikus atsparumas lūžiams esant žemai temperatūrai

Didelė takumo riba aukštoje temperatūroje

Didesnis atsparumas šiluminiam nuovargiui

Puikus atsparumas šliaužimui nuolat aukštesnėje temperatūroje

Šios savybės leidžia medžiagai išlaikyti struktūrinį vientisumą esant labai dideliam šiluminiam apvalkalui.

Šis metalas turi sugebėti sulenkti ir išsitiesti kaip gimnastas, nuo tamsos ir sušalusio iki raudonos{0}}karštos šviesos, niekada neplyšdamas.

Aliuminio lydiniai vidutinio sunkumo dviračių režimams
Aliuminio lydiniai, tokie kaip 6061 T6, gali būti naudojami esant ne tokiems ekstremaliems temperatūrų diapazonams. Jų savybės yra šios:

Mažas tankis (mažesnė šiluminė inercija)

Didelis šilumos laidumas (sukelia tolygų temperatūros plitimą)

Santykinai maža masė (mažesnis šiluminio įtempio dydis)

Tačiau aliuminio lydinių atsparumas aukštoje -temperatūroje paprastai yra prastesnis nei nikelio-pagrįstų sistemų ir gali būti netinkamos naudoti labai aukštoje temperatūroje arba ypač didelio ciklo nuovargiui.

Mechaninio projektavimo svarstymai
Vienalyčio temperatūros pasiskirstymo svarba
Vienodas visos konstrukcijos šildymas ir vėsinimas yra pagrindinis terminio ciklo plokščių projektavimo kriterijus. Netolygūs šiluminiai laukai gali sukurti vidinius gradientus, kurie sukelia įtampą, nepriklausomai nuo medžiagos savybių.

Norėdami tai kompensuoti, šildymo sistemos turi tiekti:

Vienodas plokštės šilumos paskirstymas

Tinkamas šilumos valdymo grandinių zonavimas

Optimalus jutiklio išdėstymas, užtikrinantis grįžtamojo ryšio tikslumą

Reguliuojamas rampos greitis šildymo ir vėsinimo fazėse

Neturint homogeniškumo, net geriausias medžiagos pasirinkimas gali sugesti anksčiau laiko.

Šildymo elementų ir jutiklių derinimas
Visos įterptosios sudedamosios dalys turi būti įvertintos pagal visą darbinės temperatūros diapazoną, įskaitant du kraštutinius ciklo kraštus. Apima:

Įtaisyti šildymo komponentai, kasetiniai šildytuvai

Termoporos arba RTD.

Izoliacinės medžiagos laidams

Pervedimai ir sandarinimo pastos

Komponentų neatitikimas gali būti silpnoji grandis kitaip atspariose šiluminėse sistemose.

Nuovargio ir atsparumo lūžiams kriterijai
Atsparumo žemai{0}}temperatūrai patikrinimas
Medžiagos sertifikavimas turi būti paremtas mechaninio veikimo žemoje temperatūroje įrodymu, paprastai remiantis:

Šarpio smūgio bandymas kriogeninėje temperatūroje

Atsparumo lūžiams (K_IC) bandymai

Nuovargio įtrūkimų augimo greičio analizė

Šie veiksniai užtikrina atsparumą trapiam lūžiui šalto ciklo etapuose.

Aukštos temperatūros stiprumo išlaikymas
Aukštoje temperatūroje esančios medžiagos turi būti atsparios:

Šliaužti įtampa.

Takumo ribos sumažinimas

Grūdų krašto trapumas

Šis dvigubas poreikis užtikrina maksimalų medžiagų panaudojimą šiluminio ciklo sistemose.

Sistemos lygio dizaino integracija
Šiluminio ir mechaninio projektavimo sinchronizavimas
Šildymo plokštė, skirta intensyviam važiavimui dviračiu, negali būti laikoma tiesiog mechanine dalimi. Vietoj to, tai yra sujungta šiluminė{1}}mechaninė sistema, kurioje:

Streso pasiskirstymui įtakos turi šilumos perdavimo greitis

Konstrukcijos standumas yra jautrus šiluminiam homogeniškumui

Augantys apribojimai sąveikauja su plėtros dinamika

Integruota konstrukcija užtikrina, kad šiluminės ir mechaninės reakcijos visada būtų kontroliuojamos viso ciklo metu.

Išvados
Kriogeninės ir aukštos temperatūros ciklo kaitinimo plokštė yra sudėtinga medžiagų mokslo, mechaninės inžinerijos ir šiluminių sistemų inžinerijos integracija. Pavyzdžiui, nikelio{1}}superlydiniai, tokie kaip Inconel, garsėja puikiu atsparumu lūžiams, nuovargiui ir terminiam gedimui. Tam tikri aliuminio lydiniai taip pat gali būti naudojami mažiau atšiauriomis sąlygomis dėl mažos masės ir gero šilumos laidumo.

Kriogeninio aukšto temperatūros ciklo taikymo kaitinimo plokštėse sėkmė priklauso nuo medžiagos, kuri gali atlaikyti pasikartojančius smarkius šiluminius perėjimus neprarandant konstrukcijos vientisumo ar matmenų stabilumo.

Tvirčiausios šiluminės mašinos juk yra pagamintos iš metalų, kurie netrūkinėja šaltu metu, nenukrenta karštai ir gali atlaikyti nuolatinį šiluminį judėjimą kaip viena darni inžinerinė sistema.