Kako izbrati grelno ploščo za ciklično uporabo od-do-visokih{2}}temperatur?

Posebna preskusna komora bi potrebovala grelno ploščo, ki lahko preide od zmrzovanja -180 stopinj do pečenja +300 stopinj v minutah, znova in znova, v desettisočih ciklih. Pri tako hudem termičnem cikliranju bi običajne plošče iz aluminija ali ogljikovega jekla hitro odpovedale zaradi upogibanja, pokanja zaradi utrujenosti ali krhkega loma. Material, uporabljen za to vlogo, mora delovati kot visoko zmogljiv mehanski atlet, ki je sposoben prenesti ponavljajočo se toplotno obremenitev brez izgube strukturne celovitosti.

Izbira materiala za uporabo pri kriogenih visokotemperaturnih ciklih gretja je prav tako vprašanje utrujenosti in zloma kot vprašanje toplotne zasnove.

Razumevanje zahtev težkega termičnega cikliranja
Utrujenost pri nizkem ciklu kot glavni mehanizem odpovedi.
V sistemih s hudimi termičnimi cikli je prevladujoč način odpovedi nizko-ciklična utrujenost, ki jo povzroči ponavljajoče se toplotno raztezanje in krčenje. Z vsakim hitrim nihanjem temperature se uvede:

Natezni in tlačni preobrati

Kopičenje plastične deformacije

Začetek mikrorazpok na točkah koncentracije napetosti

Rast razpok pri ciklični obremenitvi

Sčasoma se ti učinki povečajo, dokler se struktura ne poruši.

Dodatna obremenitev zaradi toplotnih gradientov
Tudi če ima material dobre toplotne lastnosti, lahko gradienti notranje temperature povzročijo dodatno obremenitev. Če ogrevanje in hlajenje nista enakomerna, lahko lokalizirana diferencialna ekspanzija povzroči:

Deformacija površin plošč

Izkrivljanje montažnih vmesnikov

Nepravilna mehanska obremenitev pritrdilnih elementov

Hitra utrujenost določenih območij

Iz tega razloga je treba izbiro materiala in zasnovo toplotnega sistema proučiti skupaj.

"Obnašanje materiala pri nizkih in visokih temperaturah
Slabosti ogljikovega jekla
Znano je, da postajajo standardna ogljikova jekla pri nizkih temperaturah vedno bolj krhka z izrazitim duktilno-krhkim prehodom v kriogenem režimu. Zlomna žilavost lahko močno pade pod približno -20 stopinj, kar poveča nevarnost hitre katastrofalne okvare.

Zaradi te lastnosti ogljikovo jeklo ni primerno za nastavitve intenzivnih kriogenih ciklov.

Nerjavna jekla – avstenitna
Ko-kubična kristalna struktura iz nerjavečega jekla, kot sta 304L in 316L, s središčem na ploskvi, jim zagotavlja visoko vzdržljivost pri kriogenih temperaturah. Glavne prednosti vključujejo:

Trdnost pri nizki temperaturi

Dobra odpornost proti koroziji

Zmerna cena v primerjavi s superzlitinami

Vendar njegov sorazmerno visok koeficient toplotnega raztezanja povzroči velike ciklične obremenitve med hitrim segrevanjem in ohlajanjem, kar povečuje obremenitev zaradi utrujenosti v dolgi življenjski dobi.

Superzlitine (na osnovi niklja)
Zlitine na osnovi niklja, kot sta Inconel 625 in Inconel 718, v mnogih najzahtevnejših sistemih toplotnega cikla ponujajo najboljšo alternativo.

Njihove prednosti vključujejo:

Odlična lomna žilavost pri nizkih temperaturah

Visoka meja tečenja pri visokih temperaturah

Večja odpornost na toplotno utrujenost

Odlična odpornost proti lezenju pri nenehno povišanih temperaturah

Te lastnosti omogočajo materialu, da ohrani svojo strukturno celovitost v zelo velikem toplotnem ovoju.

Ta kovina mora biti sposobna upogniti in raztegniti kot gimnastičar, od teme in zamrznjene do rdeče-vroče svetlobe, ne da bi se kdaj strgala.

Aluminijeve zlitine za zmerne režime kolesarjenja
Aluminijeve zlitine, kot je 6061 T6, se lahko uporabljajo pri manj ekstremnih temperaturnih območjih. Njihove lastnosti so:

Nizka gostota (manjša toplotna vztrajnost)

Visoka toplotna prevodnost (povzroča enakomerno porazdelitev temperature)

Relativno nizka masa (znižanje velikosti toplotnega stresa)

Vendar pa imajo aluminijeve zlitine običajno slabšo visoko{0}}temperaturno trdnost kot sistemi na osnovi niklja-in morda niso primerne za uporabo pri zelo visokih temperaturah ali ultravisokociklični utrujenosti.

Premisleki glede mehanske zasnove
Pomen homogene porazdelitve temperature
Enakomerno ogrevanje in hlajenje celotne konstrukcije je temeljno merilo zasnove pri termocikličnih ploščah. Ne-enotna toplotna polja lahko ustvarijo notranje gradiente, ki povzročijo napetost, neodvisno od kakovosti materiala.

Da bi to nadomestili, morajo ogrevalni sistemi zagotoviti:

Enakomerna porazdelitev toplote plošče

Pravilno razdelitev krogov toplotne regulacije na območja

Optimalna postavitev senzorja za natančnost povratnih informacij

Nadzorovane stopnje rampa v fazah ogrevanja in hlajenja

Brez homogenosti lahko tudi najboljša izbira materiala prezgodaj propade.

Ujemanje grelnih elementov in senzorjev
Vse vgrajene komponente so ocenjene za celotno delovno temperaturno območje, vključno z dvema skrajnima točkama cikla. Vključuje:

Vgrajene grelne komponente, kartušni grelci

Termoelementi ali RTD.

Izolacijski materiali za ožičenje

Prehodi in tesnilne paste

Neusklajenost komponent je lahko šibka povezava v sicer prožnih toplotnih sistemih.

Merila za utrujenost in lomno žilavost
Preverjanje nizko{0}}temperaturne žilavosti
Certificiranje materiala mora biti podprto z dokazilom o nizkotemperaturnih mehanskih lastnostih, običajno na podlagi:

Charpyjev udarni preizkus pri kriogeni temperaturi

Preskusi lomne žilavosti (K_IC).

Analiza hitrosti rasti utrujenostnih razpok

Ti dejavniki zagotavljajo odpornost proti krhkemu lomu v fazah hladnega cikliranja.

Ohranjanje visokotemperaturne trdnosti
Materiali pri visokih temperaturah morajo biti odporni na:

Lezeči sev.

Zmanjšanje meje tečenja

Krhkost meje zrna

Ta dvojna zahteva vzpostavlja največjo možno uporabnost materiala v toplotno cikličnih sistemih.

Integracija načrtovanja sistemske ravni
Sinhronizacija toplotne in mehanske zasnove
Grelne plošče za intenzivno kolesarjenje ni mogoče obravnavati kot preprosto mehansko komponento. Namesto tega gre za sklopljeni toplotni-mehanski sistem, kjer:

Na porazdelitev napetosti vplivajo hitrosti prenosa toplote

Strukturna togost je občutljiva na toplotno homogenost

Naraščajoče omejitve so povezane z dinamiko širitve

Integrirana zasnova zagotavlja, da so toplotni in mehanski odzivi ves čas nadzorovani v celotnem ciklu.

Sklepi
Grelna plošča s kroženjem od kriogene do visoke temperature je kompleksna integracija znanosti o materialih, strojništva in inženiringa toplotnih sistemov. Na primer, superzlitine-na osnovi niklja, kot je Inconel, so znane po svoji odlični odpornosti proti zlomu, utrujenosti in toplotnemu poslabšanju. Nekatere aluminijeve zlitine se lahko uporabljajo tudi za manj težke pogoje zaradi njihove majhne mase in dobre toplotne prevodnosti.

Pri kriogenih visokotemperaturnih cikličnih aplikacijah v grelni plošči je uspeh odvisen od materiala, ki lahko prenese ponavljajoče se silovite toplotne prehode brez izgube strukturne celovitosti ali dimenzijske stabilnosti.

Najtrpežnejši termični stroji so navsezadnje narejeni iz kovin, ki ne bodo počile, ko je hladno, se ne bodo povesile, ko je vroče, in lahko prenesejo nenehno toplotno gibanje kot en povezan inženirski sistem.