การแพร่กระจายความร้อนมีความสำคัญอย่างไรในการเลือกวัสดุแผ่นทำความร้อนสำหรับการใช้งานแบบวนรอบ?

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแท่นวางมีผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพของกระบวนการต่างๆ เช่น การขึ้นรูปด้วยความร้อน การขึ้นรูปคอมโพสิต หรือกระบวนการใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับวงจรการทำความร้อนและความเย็นซ้ำๆ การนำความร้อนอธิบายส่วนหนึ่งของการบรรยาย ขณะที่การแพร่กระจายความร้อนให้ภาพการตอบสนองความร้อนชั่วคราวที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ในการใช้งานแบบเป็นรอบ การเลือกใช้วัสดุแผ่นทำความร้อนที่มีการกระจายความร้อนสูงสามารถส่งผลให้รอบเวลาและการใช้พลังงานลดลงอย่างมาก

การแพร่กระจายความร้อน: วัสดุตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้เร็วแค่ไหน
การแพร่กระจายความร้อน ( ) คือคุณลักษณะของวัสดุที่กำหนดลักษณะความเร็วของวัสดุที่อาจเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม มีคุณสมบัติพื้นฐานสามประการรวมกัน:

=k/ρ*Cp

ที่ไหน:

k=การนำความร้อน (W/m · K)

ρ=ความหนาแน่น (กก./ลบ.ม.)

Cp=ความจุความร้อนจำเพาะ J/kg.K

ตัวเศษ (k) คือความสามารถในการนำความร้อน ตัวส่วน (Cp) คือความจุความร้อนเชิงปริมาตร ซึ่งเป็นพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของหน่วยปริมาตรขึ้นหนึ่งองศา การแพร่กระจายความร้อนจึงเป็นการวัดอัตราที่ความร้อนแพร่กระจายผ่านวัสดุเมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณพลังงานที่ต้องถูกดูดซับเพื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ

การแพร่กระจายที่สูงบ่งบอกว่าวัสดุจะร้อนและเย็นลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่การแพร่กระจายต่ำบ่งบอกถึงความร้อนที่เฉื่อยชา

การแพร่กระจายความร้อนของวัสดุแผ่นทำความร้อนทั่วไป
ตารางต่อไปนี้เปรียบเทียบการแพร่กระจายความร้อนสำหรับวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในแผ่นทำความร้อน แท่นวาง และพื้นผิวกด:

วัสดุ ความร้อนของการนำไฟฟ้า (W/m·K) ความหนาแน่น (kg/m³) Chaleur spécifique (J/kg·K) ความร้อนของการนำไฟฟ้า (mm²/s) ความร้อนของสื่อไฟฟ้า Vitesse Cuivre (pur) ~400 8960 385 ~116 Très Rapide
อะลูมิเนียม (6061-T6) ~167 2700 896 ~69 อะลูมิเนียมเร็ว (5083) ~120 2660 900 ~50 ปานกลาง-เร็ว
เหล็ก (คาร์บอนต่ำ) ~50 7850 460 ~13.8 ช้า
สแตนเลส (304) ~16 8000 500 ~4.0 ซบเซามาก
ไทเทเนียม (เกรด 2) ~17 4510 520 ~7.2 ช้า
หมายเหตุ: ค่านี้เป็นค่าโดยประมาณและผันผวนบ้างตามอัลลอยด์และอุณหภูมิ

อลูมิเนียมอัลลอยด์มีค่าการแพร่กระจายความร้อนในช่วง 50-100 มม.²/วินาที ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิมมีค่าประมาณ 4 มม.²/วินาที ซึ่งหมายความว่าแผ่นอลูมิเนียมจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงกำลังเครื่องทำความร้อนหรือการไหลของความเย็นได้เร็วกว่าแผ่นสแตนเลสที่มีความหนาเท่ากันประมาณ 10-20 เท่า

เหตุใดการแพร่กระจายความร้อนจึงมีความสำคัญสำหรับการใช้งานแบบวนรอบ
ในกระบวนการให้ความร้อนแบบวงจร เช่น การขึ้นรูปด้วยความร้อน การขึ้นรูปแบบอัด การปิดผนึกด้วยความร้อนหรือการเคลือบ แผ่นรองหรือแผ่นทำความร้อนจะถูกวนจากอุณหภูมิที่ต่ำกว่าไปยังจุดที่ตั้งไว้ โดยคงไว้ตามช่วงเวลาของกระบวนการ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าก่อนรอบถัดไป รอบเวลาทั้งหมดคือผลรวมของ:

ทางลาด-ขึ้น (เวลาทำความร้อน)

เวลาจะถือหรือแช่

ทางลาด-ลง (เวลาเย็นลง)

การจัดการเวลาของวัสดุ

การลดเวลาในการทำความร้อนหรือความเย็นจะเพิ่มปริมาณงานโดยตรงและลดการใช้พลังงานต่อชิ้นส่วนให้เหลือน้อยที่สุด

วัสดุที่มีการกระจายความร้อนสูงจะช่วยให้แท่นวางเข้าถึงอุณหภูมิที่ต้องการได้เร็วขึ้นเมื่อมีการจ่ายไฟ และระบายความร้อนได้เร็วขึ้นเมื่อเปิดใช้งานการไหลของความเย็น ในทางกลับกัน วัสดุที่มีการแพร่กระจายต่ำจะแสดงความล่าช้าด้านความร้อน ศูนย์กลางของแท่นวางอาจยังร้อนอยู่ในขณะที่พื้นผิวเย็นลง หรือพื้นผิวอาจตอบสนองช้าต่อการเปลี่ยนแปลงของตัวทำความร้อน

ในความเป็นจริง การเลือกการกระจายความร้อนของวัสดุแผ่นทำความร้อนจะเป็นตัวกำหนดว่าแผ่นรองสามารถตามทันสายการผลิตแบบหมุนเวียนอย่างรวดเร็วหรือจะเป็นคอขวดหรือไม่

ตัวอย่างการใช้งานจริง: แผ่นอะลูมิเนียมกับเหล็กกล้าไร้สนิม
สมมติว่าเรามีแผ่นทำความร้อนสองแผ่น หนา 20 มม. แผ่นหนึ่งเป็นอะลูมิเนียม (6061) และอีกแผ่นเป็นสแตนเลส (304) ทั้งสองเครื่องได้รับความร้อนจากเครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์ที่เหมือนกัน และระบายความร้อนด้วยท่อร้อยสายน้ำที่เหมือนกัน

เวลาในการทำความร้อน 50 องศา ถึง 200 องศา - แผ่นอลูมิเนียมให้ความร้อนถึงจุดที่ตั้งไว้ประมาณ 1/10 อย่างรวดเร็วเท่ากับแผ่นสแตนเลส เนื่องจากการกระจายความร้อนอย่างรวดเร็วจากเครื่องทำความร้อนผ่านแผ่นทั้งหมด แผ่นเหล็กสแตนเลสแสดงการไล่ระดับอุณหภูมิที่แข็งแกร่งรอบๆ ตัวทำความร้อน ซึ่งแกนกลางจะล่าช้า

เวลาในการทำความเย็น 200 องศาถึง 60 องศา – แผ่นอลูมิเนียมจะเย็นลงอย่างรวดเร็วผ่านการถ่ายเทความร้อนไปยังช่องระบายความร้อนและการกำจัดความร้อน แกนของแท่นวางที่ทำจากสเตนเลสสตีลช่วยรักษาความร้อน โดยต้องใช้ความเย็นที่ยาวนาน-หรือความเย็นแบบแอคทีฟทั้งสองด้าน

การใช้พลังงาน - สแตนเลสมีความจุความร้อนตามปริมาตรที่มากกว่า (ρ x Cp=4.0 MJ/m3-K สำหรับเหล็ก เทียบกับ 2.4 MJ/m3-K สำหรับอะลูมิเนียม) ต้องใช้พลังงานทั้งหมดมากขึ้นเพื่อให้ได้อุณหภูมิเฉลี่ยเท่าเดิม เนื่องจากมีการแพร่กระจายต่ำกว่าและสิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้นในขณะที่ทำความเย็น (เว้นแต่จะใช้การนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่)

ด้วยการย้ายจากแท่นสแตนเลสไปเป็นแท่นอะลูมิเนียม คุณสามารถประหยัดเวลาได้เป็นนาทีในแต่ละรอบสำหรับกระบวนการที่ทำงาน 100 รอบต่อวัน ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตรายวันได้ 20-30%

การแพร่กระจายความร้อนกับการนำความร้อน: เหตุใดทั้งสองจึงมีความสำคัญ
วิศวกรที่มีพื้นฐานในการพาความร้อนในสถานะคงที่-โดยทั่วไปจะเน้นที่การนำความร้อน (k) สำหรับเครื่องทำความร้อนที่ทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิคงที่ ฟลักซ์ความร้อน (สำหรับความแตกต่างของอุณหภูมิที่กำหนด) จะถูกกำหนดโดยการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานแบบวนรอบ สถิติที่เกี่ยวข้องมากกว่ามักจะเป็นการแพร่กระจาย

สารสามารถนำไฟฟ้าได้มากแต่ยังมีความจุความร้อนเชิงปริมาตรสูง จึงมีการแพร่กระจายปานกลาง ตัวอย่างเช่น ทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าสูงมาก (~400 W/m*K) แต่ก็มีความหนาแน่นสูงและความร้อนจำเพาะปานกลาง ดังนั้นการแพร่กระจายจึงอยู่ที่ ~116 mm2/s-ยังคงเร็วมาก แต่ไม่เร็วกว่าตามสัดส่วนของอลูมิเนียม (69 mm2/s) เนื่องจากทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่ามาก อะลูมิเนียมให้ประนีประนอมในอุดมคติ: โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าค่อนข้างสูง ความหนาแน่นต่ำ และความร้อนจำเพาะปานกลาง ทำให้เกิดการแพร่กระจายได้มากด้วยต้นทุนและน้ำหนักที่ต่ำกว่า

สแตนเลสเป็นตัวนำที่ไม่ดีและมีความจุความร้อนในปริมาณปานกลางซึ่งทำให้มีการแพร่กระจายต่ำมาก แม้จะมีความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งแรงเชิงกลที่เหนือกว่า แต่ก็ทำให้สแตนเลสเป็นตัวเลือกที่ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

คำแนะนำในการเลือกวัสดุสำหรับการใช้งานแบบวนรอบ
ตัวเลขประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดคือเวลาตอบสนองทางความร้อนของแผ่นทำความร้อนแบบวนซึ่งมีมาตราส่วนเป็น (ความหนา2 / ) เวลาปฏิกิริยาจะลดลงสี่เท่าเมื่อลดความหนาลงครึ่งหนึ่ง การเลือกใช้วัสดุก็มีผลสำคัญเช่นกัน

ใช้วัสดุที่มีการแพร่กระจายสูง (อะลูมิเนียม ทองแดง หรืออะลูมิเนียม-คอมโพสิตทองแดง) เมื่อ:

วิธีการนี้รวมถึงรอบการให้ความร้อนและความเย็นซ้ำๆ (เช่น เทอร์โมฟอร์ม การปิดผนึกด้วยความร้อน การกดแบบวนรอบ)

การลดรอบเวลาเป็นสิ่งจำเป็นในการผลิต

ความสำคัญของประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (ประหยัดพลังงานน้อยลงและสิ้นเปลืองในแต่ละรอบ)

อุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่าขีดจำกัดของวัสดุ (อะลูมิเนียม: ~400-500 องศา; ทองแดง: ~300 องศา สำหรับการใช้งานเป็นเวลานานเนื่องจากการเกิดออกซิเดชัน)

เลือกวัสดุที่มีการแพร่กระจาย-ต่ำ (เหล็ก สแตนเลส ไทเทเนียม) เฉพาะเมื่อ:

กระบวนการนี้แทบจะต่อเนื่องกัน (สถานะคงที่) โดยมีรอบความร้อนน้อย

อุณหภูมิสูง ( > 500C ) ขจัดอลูมิเนียมและทองแดง

การตอบสนองทางความร้อนมีความสำคัญมากกว่าความต้านทานการกัดกร่อนหรือความต้านทานการสึกหรอทางกล

แผ่นทำความร้อนค่อนข้างบางเพื่อชดเชยการแพร่กระจายที่ไม่ดี

โปรดทราบว่าสำหรับแผ่นรองที่มีความหนามาก (50 มม. ขึ้นไป) แม้แต่อะลูมิเนียมก็ยังแสดงความล่าช้าด้านความร้อนอย่างมาก ในสถานการณ์เหล่านี้ สามารถเพิ่มการแพร่กระจายที่มีประสิทธิผลได้โดยใช้การออกแบบที่มีเครื่องทำความร้อนแบบฝังและช่องระบายความร้อนที่กระจัดกระจายตามความหนา หรือโดยการใช้ชั้นกระจายความร้อนทองแดง (ดูบทความก่อนหน้า)

วัสดุที่มีข้อจำกัดในการแพร่กระจายสูง
สำหรับการใช้งานแบบเป็นรอบ จำเป็นต้องมีการกระจายความร้อนสูง แต่วัสดุที่ให้การกระจายความร้อน (อะลูมิเนียมและทองแดง) มีข้อจำกัด:

อุณหภูมิสูงสุด – ความแข็งแรงของอลูมิเนียมลดลงเกิน 200-250 องศา และเริ่มอ่อนตัวลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเกิน 350 องศา ทองแดงจะออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วในอากาศที่อุณหภูมิ 300 องศา หากอุณหภูมิสูงกว่า 400 องศา การปั่นจักรยานจะช้าและคุณอาจเลือกได้เฉพาะเหล็กหรือโลหะผสมนิกเกิลเท่านั้น

ความต้านทานการกัดกร่อน - อลูมิเนียมและทองแดงไม่เหมาะสมสำหรับการสัมผัสโดยตรงกับสารเคมีหลายชนิดหรือสภาวะที่เป็นกรด สแตนเลสเป็นตัวกระจายกลิ่นได้ไม่ดี แต่อาจจำเป็นต่อการต้านทานการกัดกร่อน

ความแข็งของพื้นผิวและการสึกหรอ - อะลูมิเนียมมีความนุ่มและเป็นรอยขีดข่วนได้ง่าย อาจจำเป็นต้องใช้พื้นผิวเหล็กชุบแข็งหรือเคลือบในการเลื่อนหรือสัมผัสที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ในกรณีดังกล่าว แผ่นเพลทหลาย-ชั้น (พื้นผิวการทำงานที่เป็นเหล็กบางเชื่อมต่อกับฐานอะลูมิเนียม) สามารถให้ทั้งความต้านทานการสึกหรอและการแพร่กระจายสูง

สรุป: การแพร่กระจายความร้อนเป็นกุญแจสำคัญในการเลือกใช้วัสดุในการปั่นจักรยานอย่างรวดเร็ว
การแพร่กระจายความร้อนเป็นคุณลักษณะที่สำคัญในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแบบวงจร โดยจะกำหนดอัตราที่แผ่นทำความร้อนสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อนหรือความเย็นได้ วัสดุที่มีการแพร่กระจายสูง เช่น อะลูมิเนียม (ประมาณ 50-100 มม.2/วินาที) ให้ความร้อนและเย็นอย่างรวดเร็ว ลดรอบเวลาและลดการใช้พลังงาน วัสดุที่มีการแพร่กระจายต่ำ (เช่น สแตนเลส (ประมาณ 4 มม.2/วินาที)) จะแสดงความล่าช้าของความร้อน ส่งผลให้รอบระยะเวลาการทำงานยาวนานขึ้นและสิ้นเปลืองพลังงาน

ในกรณีที่อุณหภูมิในการทำงานและข้อจำกัดในการกัดกร่อนเอื้ออำนวย อลูมิเนียมจะได้รับความนิยมมากกว่าเหล็กสำหรับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับวงจรการทำความร้อนและความเย็นซ้ำๆ เพื่อการตอบสนองที่รวดเร็วยิ่งขึ้น คอมโพสิตทองแดงหรือทองแดง-ก็เป็นทางเลือกเช่นกัน การแพร่กระจายความร้อนมักเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญสำหรับการใช้งานแบบวน การเลือกวัสดุควรพิจารณาทั้งประสิทธิภาพการระบายความร้อน-ในสถานะคงที่และชั่วคราว