Каково значение температуропроводности при выборе материалов нагревательных пластин для циклических применений?

Изменение температуры плиты напрямую влияет на производительность таких процессов, как термоформование, формование композитов или любого процесса, который включает повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения. Теплопроводность описывает часть повествования, в то время как температуропроводность дает более полную картину переходного теплового отклика. В циклических применениях выбор материала нагревательной пластины с высокой температуропроводностью может привести к существенному сокращению времени цикла и энергопотребления.

Температуропроводность: как быстро материал реагирует на изменения температуры
Температуропроводность ( ) — это характеристика материала, которая характеризует, насколько быстро материал может изменить свою температуру в ответ на изменение окружающей среды. Он сочетает в себе три основных качества:

=k/ρ*Cp

Где:

k=теплопроводность (Вт/м·К)

ρ=плотность (кг/м3)

Cp=удельная теплоёмкость Дж/кг.К

Числитель (k) представляет собой способность проводить тепло. Знаменатель ( Cp ) представляет собой объемную теплоемкость, которая представляет собой тепловую энергию, необходимую для повышения температуры единицы объема на один градус. Таким образом, температуропроводность является мерой скорости распространения тепла через материал по сравнению с количеством энергии, которая должна быть поглощена для изменения его температуры.

Высокий коэффициент диффузии означает, что материал будет быстро нагреваться и охлаждаться, тогда как низкий коэффициент диффузии означает термическую инерционность.

Температуропроводность типичных материалов нагревательных пластин
В следующей таблице сравниваются коэффициенты температуропроводности материалов, обычно используемых в нагревательных пластинах, валках и поверхностях пресса:

Материал Термическая проводимость (Вт/м·К) Плотность (кг/м³) Специальная температура (Дж/кг·К) Термическая проводимость (мм²/с) Vitesse относительная Cuivre (чистая) ~400 8960 385 ~116 Très Rapide
Алюминий (6061-T6) ~167 2700 896 ~69 Быстрый Алюминий (5083) ~120 2660 900 ~50 Умеренно-быстрый
Сталь (низкоуглеродистая) ~50 7850 460 ~13,8 Медленная
Нержавеющая сталь (304) ~16 8000 500 ~4,0 Очень медленный
Титан (2-й уровень) ~17 4510 520 ~7,2 Медленный
Примечание. Значения являются приблизительными и несколько колеблются в зависимости от сплава и температуры.

Алюминиевые сплавы имеют значения температуропроводности в диапазоне 50–100 мм²/с, тогда как нержавеющая сталь — около 4 мм²/с. Это означает, что алюминиевая плита будет реагировать на изменения мощности нагревателя или охлаждающего потока примерно в 10-20 раз быстрее, чем плита из нержавеющей стали той же толщины.

Почему температуропроводность важна для циклических применений?
В процессах циклического нагрева, таких как термоформование, компрессионное формование, термосваривание или ламинирование, плита или нагревательная пластина циклически переключается от более низкой температуры до заданного значения, выдерживается в течение определенного интервала процесса, а затем охлаждается до более низкой температуры перед следующим циклом. Полное время цикла составляет:

Нарастание-(время нагрева)

Время подержать или замочить

Замедление-замедления (время охлаждения)

Управление материальным временем

Любое уменьшение времени нагрева или охлаждения напрямую увеличивает производительность и минимизирует потребление энергии на единицу продукции.

Материал с высокой температуропроводностью позволит плите быстрее достичь желаемой температуры при подаче питания и быстрее отводить тепло при активации охлаждающего потока. И наоборот, материал с плохой диффузией имеет термическую задержку, центр плиты может все еще быть горячим, в то время как поверхность остыла, или поверхность может медленно реагировать на изменения нагревателя.

Фактически, выбор коэффициента температуропроводности материала нагревательной пластины будет определять, сможет ли плита справиться с работой производственной линии с быстрым циклом или она станет узким местом.

Практический пример: алюминиевая пластина по сравнению с нержавеющей сталью
Допустим, у нас есть две нагревательные пластины толщиной 20 мм, одна из алюминия (6061), другая из нержавеющей стали (304). Оба нагреваются одинаковыми картриджными нагревателями и охлаждаются одинаковыми водоводами.

Время нагрева от 50 до 200 градусов - Алюминиевая плита нагревается до заданного значения примерно в 1/10 быстрее, чем плита из нержавеющей стали, из-за быстрого распространения тепла от нагревателей по всей пластине. Пластина из нержавеющей стали показывает сильный температурный градиент вокруг нагревателей, сердечник отстает.

Время охлаждения от 200 до 60 градусов. Алюминиевая плита быстро остывает за счет передачи тепла к охлаждающим каналам и отвода тепла. Сердцевина плиты из нержавеющей стали сохраняет тепло, требуя длительного охлаждения-или активного охлаждения с обеих сторон.

Потребление энергии - нержавеющая сталь имеет большую объемную теплоемкость (ρ x Cp=4.0 МДж/м3-К для стали по сравнению с ≈ 2,4 МДж/м3-К для алюминия). Для достижения той же средней температуры требуется больше общей энергии из-за ее более низкой диффузионной способности и тратится больше энергии при охлаждении (если не используется рекуперация энергии).

Перейдя от плиты из нержавеющей стали к алюминиевой плите, вы можете сэкономить минуты при каждом цикле процесса, выполняемого 100 циклов в день, увеличивая ежедневную производительность на 20-30%.

Температуропроводность и теплопроводность: почему они оба важны
Инженеры, имеющие опыт-переноса тепла в устойчивом состоянии, обычно концентрируются на теплопроводности (k). Для непрерывно работающего нагревателя при постоянной температуре тепловой поток (при заданной разности температур) определяется проводимостью. Однако для циклических приложений более актуальной статистикой часто является коэффициент диффузии.

Вещество может быть очень проводящим, но также обладать высокой объемной теплоемкостью и, следовательно, умеренным коэффициентом диффузии. Например, медь обладает чрезвычайно высокой проводимостью (~400 Вт/м*К), а также высокой плотностью и умеренной удельной теплоемкостью, поэтому ее коэффициент диффузии составляет ~116 мм2/с-все еще очень быстро, но не пропорционально быстрее, чем алюминий (69 мм2/с), учитывая гораздо большую проводимость меди. Алюминий представляет собой идеальный компромисс: металл имеет относительно высокую проводимость, низкую плотность и умеренную удельную теплоемкость, что обеспечивает высокий коэффициент диффузии при более низкой стоимости и весе.

Нержавеющая сталь является плохим проводником и имеет умеренную объемную теплоемкость, что приводит к очень низкому коэффициенту диффузии. Несмотря на превосходную коррозионную стойкость и механическую прочность, нержавеющая сталь не подходит для любого применения, связанного с быстрым изменением температуры.

Руководство по выбору материалов для циклического применения
Наиболее важным показателем производительности является время термического отклика циклических нагревательных пластин, которое масштабируется как (толщина2 / ). При уменьшении толщины вдвое время реакции сокращается в четыре раза. Выбор материала также имеет большое значение.

Используйте материалы с высоким коэффициентом диффузии (алюминий, медь или композиты алюминия-меди), если:

Способ включает повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения (например, термоформование, термосваривание, циклические прессы).

Сокращение времени цикла является императивом производительности.

Важность энергоэффективности (меньше энергии экономится и теряется в каждом цикле)

Рабочая температура ниже пределов материала (алюминий: ~400-500 градусов; медь: ~300 градусов при длительном использовании из-за окисления).

Выбирайте материалы с более низким-коэффициентом диффузии (сталь, нержавеющая сталь, титан) только в том случае, если:

Процесс практически непрерывный (стационарный) с небольшим количеством тепловых циклов.

Высокая температура (> 500C) удаляет алюминий и медь.

Термический отклик более важен, чем коррозионная стойкость или механическая износостойкость.

Нагревательная пластина довольно тонкая, чтобы компенсировать плохой коэффициент диффузии.

Обратите внимание, что для очень толстых плит (50 мм и более) даже алюминий будет иметь значительную термическую задержку. В этих обстоятельствах эффективный коэффициент диффузии можно повысить, используя конструкции со встроенными нагревателями и охлаждающими каналами, разбросанными по толщине, или используя медные теплораспределительные слои (см. предыдущую статью).

Материалы с высокими ограничениями по коэффициенту диффузии
Для циклических применений желательна высокая температуропроводность, но материалы, обеспечивающие ее (алюминий и медь), имеют ограничения:

Максимальная температура – ​​выше 200-250 градусов прочность алюминия падает, а выше 350 градусов он начинает заметно размягчаться. Медь быстро окисляется на воздухе при температуре 300 градусов. Если температура превышает 400 градусов, езда на велосипеде будет медленной, и вам придется выбирать только из стали или никелевых сплавов.

Коррозионная стойкость - Алюминий и медь не подходят для прямого контакта со многими химическими веществами или кислотными средами. Нержавеющая сталь является плохим диффузором, но может быть необходима для защиты от коррозии.

Твердость поверхности и износ - Алюминий мягкий и легко царапается. Стальные поверхности, закаленные или имеющие покрытие, могут потребоваться для скользящего или абразивного контакта. В таких случаях многослойная плита (тонкая стальная рабочая поверхность, соединенная с алюминиевой основой) может обеспечить как износостойкость, так и высокий коэффициент диффузии.

Вывод: температуропроводность является ключом к выбору материала для быстрого цикла.
Температуропроводность является важной характеристикой в ​​приложениях, связанных с циклическим нагревом. Он определяет скорость, с которой нагревательная пластина может реагировать на изменения мощности нагрева или охлаждения. Материалы с высоким коэффициентом диффузии, такие как алюминий (≈50–100 мм2/с), быстро нагреваются и охлаждаются, сводя к минимуму время цикла и снижая потребление энергии. Материалы с плохой диффузионной способностью (например, нержавеющая сталь (≈4 мм2/с)) демонстрируют тепловое запаздывание, что приводит к увеличению продолжительности цикла и потерям энергии.

Там, где позволяют рабочие температуры и ограничения по коррозии, алюминий предпочтительнее стали для процессов, требующих повторяющихся циклов нагрева и охлаждения. Для еще более быстрого реагирования также можно использовать медные или медно-алюминиевые композиты. Температуропроводность часто является критическим показателем для циклических применений. При выборе материалов следует учитывать как устойчивые-, так и переходные тепловые характеристики.