Hai trục ép trông giống hệt nhau, một làm bằng thép công cụ và một bằng nhôm, nằm nguội trong nhà máy khi bắt đầu ca sáng. Người vận hành nhấn nút "làm nóng". Cả hai sẽ đạt đến nhiệt độ hoạt động mục tiêu, nhưng một trong số đó sẽ tiêu thụ một lượng điện lớn hơn đáng kể trong quá trình này. Sự khác biệt không nằm ở hiệu suất của lò sưởi mà ở đặc tính nhiệt cơ bản của kim loại: nhiệt dung riêng của nó. Tấm thép chỉ đơn giản là một miếng bọt biển hấp thụ năng lượng nhiệt nhiều hơn. Hiểu biết vềnhiệt dung riêng tấm năng lượng vật liệu nóng lênmối quan hệ là cần thiết để lựa chọn thiết bị ép tiết kiệm năng lượng và kiểm soát chi phí vận hành.
Nhiệt dung riêng là gì?
Định nghĩa và đơn vị
Nhiệt dung riêng là lượng năng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một kg vật liệu lên một độ C (hoặc một Kelvin). Nó được biểu thị bằng kilôgam trên kilogam trên Kelvin (kJ/kg·K). Vật liệu có nhiệt dung riêng cao sẽ hấp thụ nhiều năng lượng hơn để đạt được cùng mức tăng nhiệt độ so với vật liệu có nhiệt dung riêng thấp, với cùng khối lượng.
Giá trị điển hình ở nhiệt độ phòng:
Thép (thép carbon hoặc thép công cụ): khoảng 0,47–0,51 kJ/kg·K
Nhôm (hợp kim 6061 hoặc 7075): khoảng 0,90 kJ/kg·K
Gang: khoảng 0,46 kJ/kg·K
đồng: khoảng 0,38 kJ/kg·K
Trong khi nhôm có nhiệt dung riêng trên mỗi kg cao hơn thép, mật độ của nó thấp hơn nhiều (khoảng 2700 kg/m³ so với 7800 kg/m³ đối với thép) có nghĩa là đối với cùng một thể tích tấm ép, tấm nhôm chỉ có khối lượng khoảng một phần ba. Tổng năng lượng cần thiết để làm nóng một tấm ép từ nhiệt độ lạnh đến nhiệt độ vận hành là tích của khối lượng, nhiệt dung riêng của nó và độ tăng nhiệt độ.
Độ chính xác kỹ thuật: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố thực tế
Tổn thất nhiệt khi khởi động
Năng lượng lý thuyết được tính toán ở trên giả định khả năng cách nhiệt hoàn hảo và không thất thoát nhiệt ra môi trường trong thời gian tăng nhiệt. Trên thực tế, tấm ép mất nhiệt thông qua sự đối lưu và bức xạ từ bề mặt của nó cũng như thông qua sự dẫn nhiệt đến các kết cấu đỡ. Đĩa nặng hơn, khối lượng lớn hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn để đạt đến nhiệt độ, do đó, nó cũng mất nhiều nhiệt hơn trong thời gian khởi động kéo dài. Điều này càng làm tăng mức phạt năng lượng trong thế giới thực của vật liệu có nhiệt dung riêng cao. Ngược lại, tấm nhôm nhẹ nóng lên nhanh hơn, tốn ít thời gian hơn ở nhiệt độ trung bình và do đó mất ít năng lượng hơn ra môi trường xung quanh.
Cân nhắc bổ sung: Độ dẫn nhiệt
Nhôm cũng có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều (khoảng 200 W/m·K đối với nhôm so với. 15 W/m·K đối với thép không gỉ). Điều này cho phép các tấm nhôm đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt nhanh hơn và với độ dốc nhiệt độ nhỏ hơn trên bề mặt. Sự kết hợp giữa khối lượng nhiệt thấp hơn và độ dẫn điện cao hơn khiến nhôm trở thành lựa chọn ưu việt cho các ứng dụng yêu cầu chu kỳ gia nhiệt nhanh, tiết kiệm năng lượng.
Ý nghĩa lựa chọn
Khi chấp nhận được nhiệt dung riêng cao
Vật liệu có nhiệt dung riêng cao như thép không phải lúc nào cũng là nhược điểm. Trong các ứng dụng mà trục lăn được giữ nóng liên tục (24 giờ một ngày, 7 ngày một tuần), năng lượng làm nóng ban đầu chỉ được trả một lần. Mức tiêu thụ năng lượng ở trạng thái ổn định được xác định bởi tổn thất nhiệt bề mặt và hiệu quả cách nhiệt, không phải bởi nhiệt dung riêng. Các tấm thép cũng có độ cứng cao hơn, chi phí trên mỗi kg thấp hơn (mặc dù không phải trên mỗi thể tích) và khả năng chống hư hỏng cơ học tốt hơn. Đối với máy ép hiếm khi chạy theo chu kỳ, tổn thất năng lượng của thép có thể không đáng kể.
Khi nhiệt dung riêng thấp là cần thiết
Đối với các ứng dụng liên quan đến chu trình làm nóng và làm mát thường xuyên-chẳng hạn như máy ép mẻ, máy thử nghiệm hoặc ép nhiệt phản ứng nhanh-nhiệt dung riêng của vật liệu trục lăn trở thành yếu tố chi phối. Ưu tiên sử dụng nhôm hoặc các hợp kim có mật độ thấp, nhiệt độ riêng vừa phải khác (ví dụ: hợp kim magie). Trục cuốn tiết kiệm năng lượng nhất không phải là trục cuốn nóng nhanh nhất mà là trục cuốn tiêu tốn ít năng lượng nhất để đạt được điều đó. Trong quá trình sản xuất có năng suất cao, nhôm sẽ hoàn trả chi phí nguyên liệu cao hơn trong vòng vài tháng thông qua hóa đơn tiền điện thấp hơn.
Kết luận: Chi phí tiềm ẩn của khối lượng nhiệt
Nhiệt dung riêng của vật liệu trục lăn là một yếu tố tác động mạnh mẽ, ẩn giấu đến hóa đơn năng lượng hàng ngày của máy. Vật liệu nhẹ hơn, có khả năng sinh nhiệt thấp hơn như nhôm có thể tiết kiệm rất nhiều năng lượng khởi động trong suốt thời gian sử dụng của máy ép. Khối lượng lớn và nhiệt dung riêng cao vừa phải của trục lăn thép kết hợp lại đòi hỏi nhiều năng lượng hơn đáng kể cho mỗi chu trình khởi động. Đối với các ứng dụng trong đó trục lăn được làm nóng và làm mát liên tục, việc lựa chọn vật liệu không chỉ là quyết định về thiết kế cơ học-mà còn là sự kiểm soát trực tiếp đối với chi phí vận hành. Trục lăn tiết kiệm năng lượng nhất là trục tiêu thụ ít năng lượng nhất để đạt được điều đó và đối với hầu hết các quy trình tuần hoàn, vật liệu đó là nhôm.
