Un butoi de placare plin cu elemente de fixare din oțel rece este coborât într-un rezervor de acid cald. Temperatura soluției scade imediat cu câteva grade pe măsură ce căldura curge rapid în sarcina metalică. Încălzitorul trebuie apoi să restabilească nu numai temperatura lichidului, ci și temperatura pereților rezervorului, a elementelor de fixare și a pieselor de prelucrat scufundate. Calculele de dimensionare a încălzitorului care ignoră masa termică a pieselor de intrare duc frecvent la timpi de recuperare lenți, la temperaturi instabile ale procesului și la o producție redusă.
Provocarea din spateÎncălzitorul PTFE încălzește în timp piesele recicalculele constă în înțelegerea faptului că fiecare kilogram de metal rece care intră în baie se comportă ca o chiuvetă termică mare. Părțile în sine sunt un burete rece și masiv pentru căldură, absorbind energia din proces până la atingerea echilibrului termic.
Înțelegerea echilibrului de căldură într-un rezervor de proces
Un încălzitor cu imersie din PTFE nu încălzește doar lichidul. În timpul încărcării lotului sau al condițiilor de pornire, energia termică trebuie furnizată simultan la mai multe mase.
Sarcina totală de căldură include de obicei:
Lichidul de proces
Structura rezervorului
Rafturi, coșuri sau accesorii
Piesele de prelucrat imersate
Pierderea continuă de căldură în mediul înconjurător
Fiecare componentă absoarbe căldură în funcție de masa sa, proprietățile materialului și cerințele de creștere a temperaturii.
Încălzitorul trebuie să furnizeze suficientă energie pentru a ridica toate aceste elemente de la temperatura lor inițială la temperatura finală de funcționare în perioada dorită de încălzire-.
De ce piesele reci domină sarcina termică
În multe operațiuni de galvanizare, anodizare și prelucrare chimică, piesele în sine reprezintă cea mai mare masă termică care intră în rezervor.
Componentele din oțel sunt deosebit de importante deoarece combină:
Densitate mare
Masa mare a lotului
Capacitate termică specifică moderată
Căldura specifică a oțelului este de aproximativ:
csteel≈0,5 kJ/kg⋅Kc_{oțel} \\aproximativ 0,5\\ \\mathrm{kJ/kg\\cdot K}csteel≈0,5 kJ/kg⋅K
Aceasta înseamnă că o cantitate mare de oțel necesită energie termică substanțială pentru creșteri de temperatură chiar și modeste.
De exemplu, o tonă de oțel ridicată cu 30 de grade absoarbe aproximativ:
Q=mcΔT=1000×0,5×30=15000 kJQ=mc\\Delta T=1000 \\times 0,5 \\times 30=15000\\ \\mathrm{kJ}Q=mcΔT{=1000×0,5×30=15000
Această cerere de energie există înainte ca temperatura stabilă a procesului să poată fi chiar restabilită.
În operațiunile în loturi care implică butoaie, rafturi sau dispozitive dense, sarcina piesei de prelucrat poate egala sau depăși masa termică a lichidului însuși.
Ecuația de bază a energiei termice
Energia necesară pentru încălzirea oricărui material poate fi estimată folosind relația standard de transfer de căldură:
Q=mcΔTQ=mc\\Delta TQ=mcΔT
Unde:
QQQ=energie termică necesară
mmm=masa
ccc=capacitate termică specifică
ΔT\\Delta TΔT=creșterea temperaturii
Acest calcul trebuie efectuat separat pentru:
Lichidul de proces
Piesele de prelucrat
Structura rezervorului
Orice dispozitive mari sau rafturi
Valorile energetice rezultate sunt apoi însumate pentru a determina necesarul total de încălzire.
Calcularea încărcăturii termice a lichidului
Lichidul de proces reprezintă de obicei sarcina termică de bază.
Soluțiile pe bază de apă-au o capacitate termică specifică relativ mare, apropiată de:
cwater≈4,18 kJ/kg⋅Kc_{apă} \\aproximativ 4,18\\ \\mathrm{kJ/kg\\cdot K}cwater≈4,18 kJ/kg⋅K
Deoarece rezervoarele de placare și chimice conțin adesea sute sau mii de litri, încălzirea lichidului poate necesita o putere substanțială.
Cu toate acestea, atunci când piese metalice reci sunt introduse în mod repetat în timpul producției, încărcarea piesei de prelucrat poate deveni rapid la fel de semnificativă.
O regulă generală obișnuită este să adăugați pur și simplu masa lucrării la masa lichidului atunci când se estimează sarcina termică totală. În timp ce această aproximare poate oferi o estimare preliminară rapidă, un calcul ingineresc riguros separă contribuțiile lichidului și ale piesei de prelucrat pentru o mai mare precizie, deoarece materialele posedă capacități termice specifice foarte diferite.
Determinarea puterii necesare a încălzitorului
Odată ce necesarul total de energie termică a fost calculat, puterea minimă a încălzitorului poate fi estimată împărțind energia totală la timpul de încălzire-dorit.
Relatia este:
P=QtP=\\frac{Q}{t}P=tQ
Unde:
PPP=a necesară puterea încălzitorului
QQQ=energie termică totală
ttt=timpul de încălzire-permis
Dacă este necesară o recuperare rapidă după încărcarea pieselor reci, devine necesară o putere instalată mai mare.
De exemplu:
O perioadă lungă de recuperare permite o putere mai mică a încălzitorului
O țintă scurtă de recuperare necesită o densitate de putere semnificativ mai mare
Această relație este esențială pentru toțiÎncălzitorul PTFE încălzește în timp piesele recicalculele.
Contabilizarea pierderilor de căldură din rezervor
În timpul încălzirii-, o parte din puterea de încălzire se pierde continuu în mediul înconjurător.
Mecanismele tipice de pierdere a căldurii includ:
Convecția din pereții rezervorului
Evaporarea de pe suprafața lichidului
Radiația către aerul din jur
Pierderile-de ventilație
Deși aceste pierderi sunt de obicei mai mici decât energia necesară pentru încălzirea lichidului și a pieselor de prelucrat, ele contribuie totuși la cererea totală de încălzire.
Pierderile de căldură devin mai importante atunci când:
Perioadele{0}}de încălzire sunt lungi
Rezervoarele funcționează la temperaturi ridicate
Suprafața este mare
Ratele de ventilație sunt mari
Izolația este slabă
Un calcul practic de proiectare include de obicei o marjă de siguranță suplimentară pentru a compensa aceste pierderi continue.
De ce este încă importantă densitatea de wați
Cerințele mari de putere de încălzire nu pot fi concentrate pur și simplu într-un încălzitor mic de PTFE.
PTFE posedă o rezistență chimică excelentă, dar o conductivitate termică relativ scăzută. Densitatea excesivă în wați poate supraîncălzi suprafața mantalei și poate scurta durata de viață a încălzitorului.
Chiar și atunci când este necesară o putere mare, limitele de densitate a învelișului PTFE în wați trebuie totuși respectate.
Ca rezultat, încărcăturile mari de căldură necesită adesea:
Încălzitoare cu imersie multiple
Lungime mai mare a încălzitorului
Suprafață crescută a tecii
Modele de încălzitoare cu densitate mai mică de wați
Această abordare de proiectare distribuie căldura mai sigur, menținând în același timp temperaturi acceptabile ale tecii.
Ignorarea limitărilor de densitate de wați în timpul selecției încălzitorului poate produce:
Supraîncălzire PTFE
Durată de viață redusă a încălzitorului
Temperatura excesivă a tecii
Degradare chimică lângă suprafața încălzitorului
Procesarea în loturi creează cerințe termice ciclice
Rezervoarele de proces continuu funcționează adesea în apropierea condițiilor de{0}}stațiune. Operațiunile în loturi se comportă diferit.
Fiecare încărcătură nouă de piese reci creează o perturbare termică temporară, dar substanțială.
Severitatea acestei tulburări depinde de:
Masa parțială
Tipul materialului
Temperatura inițială a părții
Frecvența de încărcare
Timpul de recuperare dorit
Oțelul rece care intră în mod repetat într-un rezervor de proces încălzit poate forța încălzitorul să funcționeze aproape{0}}continuu la putere maximă-.
Dacă capacitatea de încălzire instalată este subdimensionată, este posibil ca temperatura procesului să nu-și revină niciodată complet între ciclurile de producție.
Relația dintre inerția termică și eficiența producției
Inerția termică afectează direct consistența producției.
Recuperarea lentă a temperaturii poate influența:
Rate de placare
Cinetica reacțiilor chimice
Etch performanță
Viscozitate
Calitatea finisajului suprafeței
În sistemele de galvanizare, instabilitatea temperaturii poate afecta, de asemenea, uniformitatea grosimii depozitului și repetabilitatea procesului.
Prin urmare, dimensionarea corectă a încălzitorului devine atât o problemă de inginerie termică, cât și o problemă de calitate a procesului.
Masa termică a lucrării care intră în rezervor trebuie tratată ca o componentă integrantă a proiectului general al sistemului de încălzire.
Concluzie
Calcularea timpului necesar de încălzire-pentru un încălzitor cu imersie PTFE implică mult mai mult decât estimarea volumului lichidului. Masa, tipul de material și temperatura de pornire a pieselor de prelucrat imersate contribuie în mare măsură la cererea termică totală impusă sistemului.
Componentele reci din oțel, cu o căldură specifică de aproximativ 0,5 kJ/kg·K, absorb energie substanțială în timpul încălzirii și devin frecvent unul dintre cele mai mari radiatoare din rezervorul de proces. Energia totală necesară pentru încălzirea lichidului, structura rezervorului, dispozitivele de fixare și piesele trebuie însumată și corelată cu timpul de recuperare dorit pentru a determina puterea minimă a încălzitorului.
În același timp, limitările densității în wați din PTFE trebuie să rămână în limitele de funcționare sigure, necesitând adesea mai multe încălzitoare sau modele mai mari de-densitate joasă pentru a distribui căldura în mod corespunzător.
În proiectarea practică a procesului de încălzire, greutatea și natura pieselor care intră în baie sunt inseparabile de calculul dimensionării încălzitorului în sine. Neglijarea acelei mase termice aproape garantează un răspuns dezamăgitor de lent al procesului. Ceea ce intră în rezervor, în termeni de masă metalică, determină, în cele din urmă, câtă căldură trebuie să intre.
