Quá trình đông lạnh-đến{1}}nóng-được sử dụng trong thử nghiệm sốc nhiệt, sản xuất chất bán dẫn và đông lạnh dược phẩm-các chu trình rã đông-luân phiên giữa nhiệt độ rất thấp (-40 độ đến -80 độ ) và nhiệt độ cao (80 độ đến 150 độ ). Vỏ bọc PFA trên lò sưởi ngâm hoạt động như một rào cản nhiệt trong cả giai đoạn làm nóng và làm mát. Trong giai đoạn gia nhiệt, độ dẫn nhiệt thấp của PFA (0,20 W/m·K) làm chậm quá trình truyền nhiệt từ lõi kim loại sang chất lỏng đông lạnh. Trong giai đoạn làm mát, rào cản tương tự làm chậm quá trình truyền nhiệt từ chất lỏng đến lõi được làm lạnh. Tổn thất năng lượng là năng lượng bổ sung cần thiết để vượt qua rào cản này so với lò sưởi giả định không có vỏ bọc PFA (tiếp xúc trực tiếp với kim loại). Đối với tường PFA 1,5 mm điển hình, tổn thất năng lượng trên mỗi chu kỳ là 5–15% tổng lượng nhiệt truyền, tùy thuộc vào thời gian chu kỳ và điều kiện chất lỏng. Tổn thất có thể được tính toán bằng mô hình điện trở nhiệt và tích phân dòng nhiệt theo thời gian.
Phương pháp tính toán tổn thất năng lượng
Điện trở nhiệt của vỏ PFA là R_PFA=t / k, trong đó t là độ dày (m) và k là độ dẫn nhiệt (W/m·K). Đối với t=1.5 mm, k=0.20 W/m·K, R_PFA=0.0075 m²·K/W. Điện trở đối lưu của chất lỏng là R_conv=1/h, trong đó h là hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m²·K). Đối với chất lỏng đông lạnh (nitơ lỏng, nước muối lạnh hoặc dung môi lạnh), h thường là 500–2.000 W/m²·K, cho R_conv=0.002–0,0005 m²·K/W. PFA chiếm ưu thế trong tổng điện trở, chiếm 60–90% mức giảm nhiệt độ.
Thông lượng nhiệt trong quá trình tăng nhiệt độ là q(t)=(T_core(t) - T_fluid(t)) / (R_PFA + R_conv). Tổng năng lượng được truyền trong một chu kỳ là E=∫ q(t) × A × dt, trong đó A là diện tích bề mặt gia nhiệt. Trong một thời gian chu kỳ nhất định, PFA dày hơn sẽ luôn giảm q(t), kéo dài thời gian cần thiết để đạt đến điểm đặt. Năng lượng thất thoát so với lò sưởi kim loại (R_PFA=0) là E_loss=E_metal - E_PFA. Đối với chu kỳ thông thường từ -40 độ đến +80 độ (ΔT=120 độ ) trong 30 phút, với bộ sưởi 6 kW (A=0.1 m2), năng lượng được truyền qua tường PFA 1,5 mm xấp xỉ 85% năng lượng được truyền qua bộ sưởi kim loại trần. Mức lỗ là 15%.
Tính toán mẫu: Chu kỳ đông lạnh đến nóng
Giả định:
Thể tích bình chứa: 200 L hỗn hợp metanol/nước (c_p=3,500 J/kg·K, khối lượng=200 kg)
Hạ nhiệt-: từ +80 độ xuống -40 độ (ΔT=120 độ ) trong 30 phút
Làm nóng-tăng: từ -40 độ đến +80 độ (ΔT=120 độ ) trong 30 phút
Công suất gia nhiệt: 10 kW (lõi kim loại), diện tích bề mặt A=0.15 m2
Độ dày thành PFA: 1,5 mm (R_PFA=0.0075), thay thế: 0,5 mm (R_PFA=0.0025)
Hệ số đối lưu h=1,000 W/m²·K (R_conv=0.001)
Năng lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ chất lỏng (tối thiểu theo lý thuyết, không tổn thất): E_min=m × c_p × ΔT=200 × 3.500 × 120=84,000.000 J=84 MJ.
Với bộ sưởi bằng kim loại (không có rào cản PFA): R_total=R_conv=0.001. Bộ sưởi có thể cung cấp đầy đủ 10 kW trên toàn bộ đoạn đường nối. Thời gian chuyển 84 MJ: t=84,000.000 / 10,000=8,400 giây=140 phút. Nhưng thời gian tăng tốc chỉ là 30 phút (1.800 giây). Trong 30 phút, lò sưởi kim loại sẽ chuyển E_metal=10,000 × 1,800=18 MJ. 66 MJ còn lại phải đến từ các nguồn khác (áo khoác, môi trường xung quanh) hoặc thời gian tăng tốc phải kéo dài. Rào cản PFA làm giảm sự truyền nhiệt hơn nữa.
Với PFA 1,5 mm: R_total=0.0075 + 0.001=0.0085. Thông lượng nhiệt tối đa ở mức tối đa ΔT (120 độ )=120 / 0.0085=14,118 W/m². Tổng công suất bộ sưởi=14,118 × 0.15=2,118 W (2,1 kW). Hơn 30 phút, E_PFA=2,118 × 1,800=3.8 MJ. Rào cản PFA làm giảm khả năng truyền nhiệt từ 18 MJ (kim loại) xuống 3,8 MJ-, tổn thất 14,2 MJ mỗi chu kỳ.
Với PFA 0,5 mm: R_PFA=0.0025, R_total=0.0035. Thông lượng nhiệt tối đa=120 / 0.0035=34,286 W/m². Công suất bộ sưởi=34,286 × 0.15=5,143 W (5,1 kW). E_0,5 mm=5,143 × 1,800=9.3 MJ. Suy hao so với kim loại=18 - 9.3=8.7 MJ, giảm khoảng một nửa so với PFA 1,5 mm.
Mất năng lượng trên mỗi chu kỳ theo độ dày của tường
| Độ dày PFA (mm) | R_PFA (m2·K/W) | R_total (m²·K/W, h=1000) | Thông lượng nhiệt tối đa ở ΔT{0}} độ (W/m2) | Công suất gia nhiệt (kW, A=0.15 m2) | Năng lượng trên mỗi đoạn đường nối 30 phút (MJ) | Tổn thất năng lượng so với kim loại (MJ) | Tổn thất tính theo% của kim loại chuyển giao |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 (kim loại) | 0 | 0.001 | 120,000 | 18.0 | 18.0 | 0 | 0% |
| 0.5 | 0.0025 | 0.0035 | 34,286 | 5.14 | 9.3 | 8.7 | 48% |
| 1.0 | 0.0050 | 0.0060 | 20,000 | 3.0 | 5.4 | 12.6 | 70% |
| 1.5 | 0.0075 | 0.0085 | 14,118 | 2.12 | 3.8 | 14.2 | 79% |
| 2.0 | 0.0100 | 0.0110 | 10,909 | 1.64 | 2.9 | 15.1 | 84% |
| 2.5 | 0.0125 | 0.0135 | 8,889 | 1.33 | 2.4 | 15.6 | 87% |
Ý nghĩa thiết thực của việc đạp xe đông lạnh
Đối với chu trình từ đông lạnh-đến-nóng, vỏ bọc PFA áp dụng mức phạt năng lượng nghiêm trọng-mất tới 80% đối với bức tường 1,5 mm trong đoạn đường dốc 30-phút. Mức phạt sẽ lớn hơn khi thời gian tăng tốc ngắn (truyền nhiệt bị giới hạn bởi rào cản PFA) và nhỏ hơn khi thời gian tăng tốc dài (cho phép thời gian truyền nhiệt qua PFA). Đối với các chu kỳ dài hơn 2 giờ, rào cản PFA trở nên ít quan trọng hơn do hệ thống đạt đến trạng thái gần{10}}ổn định{13}}. Để đạp xe nhanh (30 phút hoặc ít hơn), PFA tạo ra một nút cổ chai không thể khắc phục được bằng cách tăng công suất bộ sưởi - khả năng dẫn nhiệt của PFA hạn chế dòng nhiệt tối đa bất kể nhiệt độ lõi.
Để giảm tổn thất năng lượng trong chu trình đông lạnh: (1) Chỉ định thành PFA mỏng hơn (0,5–1,0 mm) nếu yêu cầu cơ học và hóa học cho phép. (2) Tăng diện tích bề mặt (bộ gia nhiệt có đường kính dài hơn hoặc lớn hơn{5}}) để bù lại lượng nhiệt giảm. (3) Sử dụng loại PFA có độ dẫn nhiệt cao hơn (một số loại đặc biệt đạt 0,25–0,30 W/m·K, cải thiện 25–50%). (4) Để đạt hiệu quả tối đa, hãy sử dụng lò sưởi kim loại có lớp phủ PFA mỏng (0,2–0,5 mm) thay vì vỏ bọc PFA hoàn toàn, chấp nhận giảm khả năng kháng hóa chất. (5) Thêm bơm tuần hoàn để tăng h (lên tới 5.000 W/m2·K), giảm R_conv và đưa R_PFA trở thành yếu tố chi phối nhưng vẫn hạn chế.
Đối với các quy trình đạp xe đông lạnh hiện tại mà sự thất thoát năng lượng là không thể chấp nhận được, hãy cân nhắc việc di chuyển thiết bị gia nhiệt sang vòng tuần hoàn nơi tốc độ dòng chảy cao hơn sẽ cải thiện h và nơi thiết bị gia nhiệt có thể có kích thước lớn hơn mà không bị hạn chế về không gian. Bộ gia nhiệt PFA 2,5 mm trong bể-chậm có thể chỉ truyền 2 MJ mỗi chu kỳ; cùng một lò sưởi trong vòng-dòng chảy cao (h=5.000) sẽ truyền 3,5 MJ mỗi chu kỳ-cải thiện 75%.
Kết luận: Rào cản PFA gây thất thoát 50–80% năng lượng trong chu trình đông lạnh nhanh
Trong các quy trình đạp xe từ đông lạnh-đến-nóng với thời gian tăng tốc từ 30 phút trở xuống, vỏ bọc PFA hoạt động như một rào cản nhiệt đáng kể, gây tổn thất năng lượng từ 50–80% so với lò sưởi bằng kim loại trần. Đối với tường PFA dày 1,5 mm, mức hao hụt là khoảng 80% trong khoảng thời gian thông thường là 30-phút, đoạn dốc 120 độ. Các kỹ sư phải tính đến tổn thất này khi định cỡ lò sưởi và tính toán thời gian chu kỳ. Có thể giảm tổn thất bằng cách chỉ định các thành mỏng hơn (0,5–1,0 mm), cấp PFA dẫn nhiệt cao hơn, tăng diện tích bề mặt hoặc cải thiện khả năng đối lưu. Đối với các ứng dụng đạp xe nhanh trong đó hiệu quả sử dụng năng lượng là rất quan trọng, hãy cân nhắc các thiết kế bộ sưởi thay thế (kim loại{16}}phủ mỏng,{19}}bộ gia nhiệt trong dòng có lưu lượng cao) giúp giảm thiểu độ dày lớp chắn polymer. Vỏ bọc PFA mang lại khả năng kháng hóa chất cũng tạo ra hiện tượng tắc nghẽn nhiệt. Trong chu trình đông lạnh, nút cổ chai này không phải là một sự điều chỉnh nhỏ - nó là yếu tố chi phối quyết định quá trình truyền nhiệt. Tính toán tổn thất, sau đó thiết kế xung quanh nó. Việc bỏ qua rào cản PFA sẽ dẫn đến máy sưởi có kích thước nhỏ hơn và thời gian chu kỳ dài hơn dự đoán từ 2–5×.
