একটি ক্রায়োজেনিক-থেকে-হট সাইকেল চালানোর প্রক্রিয়ায় PFA শীথ তাপীয় বাধা হিসাবে কাজ করার কারণে শক্তির ক্ষতি কীভাবে গণনা করবেন?

ক্রায়োজেনিক-থেকে-হট সাইকেল চালানোর মতো প্রক্রিয়া, যা থার্মাল শক টেস্টিং, সেমিকন্ডাক্টর প্রোডাকশন এবং ফার্মাসিউটিক্যাল ফ্রিজ-থাও সাইকেলে ব্যবহৃত হয়, খুব কম তাপমাত্রা (-40 ডিগ্রি থেকে -80 ডিগ্রি) এবং উন্নত তাপমাত্রা (80 ডিগ্রি থেকে 150 ডিগ্রি) মধ্যে চক্র। একটি নিমজ্জন হিটারের পিএফএ খাপ গরম এবং শীতল উভয় চক্র জুড়ে তাপীয় বাধা হিসাবে কাজ করে। পিএফএ-র একটি কম তাপ পরিবাহিতা (0.20 W/m·K) থাকে যার ফলে উত্তাপের পর্যায়ে ধাতব কোর থেকে ক্রায়োজেনিক তরলে তাপ স্থানান্তর বিলম্বিত হয়। ঠান্ডা হওয়ার সময় একই বাধা তরল থেকে ঠান্ডা কোরে তাপ অপসারণের গতি কমিয়ে দেয়। শূন্য পিএফএ খাপ (সরাসরি ধাতব যোগাযোগ) সহ একটি অনুমানমূলক হিটারের তুলনায় এই বাধা অতিক্রম করার জন্য শক্তির ক্ষতি হল অতিরিক্ত শক্তি। একটি সাধারণ 1.5-মিমি পিএফএ প্রাচীরের জন্য, চক্রের সময় এবং তরল অবস্থার উপর নির্ভর করে, চক্র প্রতি শক্তির ক্ষয় মোট তাপ স্থানান্তরের 5 থেকে 15%। সময়ের সাথে তাপ প্রবাহকে একীভূত করে, তাপ প্রতিরোধের মডেল ব্যবহার করে ক্ষতি গণনা করা যেতে পারে।

কিভাবে শক্তি ক্ষতি গণনা
পিএফএ শিথের তাপীয় প্রতিরোধের হল R_PFA=t/k, যেখানে t হল পুরুত্ব (m), k হল তাপ পরিবাহিতা (W/m·K)। t=1.5 মিমি, k=0.20 W/m·K, R_PFA=0.0075 m^2·K/W এর জন্য। তরলের পরিবাহী প্রতিরোধের হল R conv=1/h যেখানে h হল পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ (W/m 2 K 1 )। একটি ক্রায়োজেনিক তরল (তরল নাইট্রোজেন, ঠাণ্ডা দ্রাবক) জন্য h সাধারণত 500 – 2000 W/m 2 – K, যা R conv=0.002 – 0.0005 m 2 – K/W দেয়। PFA মোট প্রতিরোধের উপর প্রাধান্য পায় এবং তাপমাত্রা হ্রাসের 60-90% জন্য দায়ী।

তাপমাত্রার র‌্যাম্পের সময়, তাপ প্রবাহ হল q(t)=Tcore(t) - Tfluid(t) RPFA + Rconv। একটি চক্রে প্রেরিত মোট শক্তি হল E=∫ q(t) · A · dt, যেখানে A হল হিটার পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল। একটি প্রদত্ত চক্র সময়ের জন্য, একটি মোটা PFA সর্বদা q(t) হ্রাস করে, সেটপয়েন্টের সময় বাড়ায়। মেটাল হিটারের ($R_{PFA}=0$) ক্ষেত্রে শক্তির ক্ষতি হল $E_{loss}=E_{ধাতু}-E_{PFA}$। -40 ডিগ্রি থেকে +80 ডিগ্রি (ΔT=120 ডিগ্রি) 30 মিনিটের একটি সাধারণ চক্রের জন্য, একটি 6 কিলোওয়াট হিটার (A=0.1 m^2) ব্যবহার করে, একটি 1.5 মিমি পিএফএ প্রাচীরের মধ্য দিয়ে স্থানান্তরিত শক্তি একটি বেয়ার মেটাল হিটারের মাধ্যমে স্থানান্তরিত শক্তির প্রায় 85%। ক্ষতি 15 শতাংশ।

নমুনা গণনা: ক্রায়োজেনিক থেকে গরম চক্র অনুমান:

ট্যাঙ্কের পরিমাণ: 200 লিটার মিথানল/জলের সংমিশ্রণ (c_p=3,500 J/kg*K, ভর=200 kg)

কুল ডাউন: 30 মিনিটে +80 ডিগ্রি থেকে -40 ডিগ্রি (ΔT=120 ডিগ্রি)

তাপ-আপ: 30 মিনিটে +80 ডিগ্রি থেকে -40 ডিগ্রি (ΔT=120 ডিগ্রি)

হিটার পাওয়ার: 10 কিলোওয়াট (ধাতু কোর) পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল A=0.15 m2

PFA প্রাচীর পুরুত্ব 1.5 মিমি (R_PFA=0.0075) বিকল্প: 0.5 মিমি (R_PFA=0.0025)

পরিবাহী সহগ h=1,000 W/m2K (Rconv=0.001)

তরল তাপমাত্রা পরিবর্তন করার শক্তি (তাত্ত্বিক সর্বনিম্ন, কোন ক্ষতি নেই): E_min=m × c_p × ΔT=200 × 3,500 × 120=84,000,000 J=84 MJ।

মেটাল হিটার (কোনও PFA বাধা নেই): R রূপান্তর=R মোট=0.001. হিটারটি পুরো র‌্যাম্প জুড়ে 10 কিলোওয়াট সরবরাহ করতে সক্ষম। স্থানান্তর করার সময় 84MJ t=84,000,000/10,000=8400 সেকেন্ড=140 মিনিট। তবে র‌্যাম্পের সময় মাত্র 30 মিনিট (1,800 সেকেন্ড)। মেটাল হিটারটি 30 মিনিটে ই মেটাল=10,000× 1,800=18 MJ প্রেরণ করে। বাকি 66 MJ অন্যান্য উত্স (জ্যাকেট, পরিবেষ্টিত) থেকে পেতে হবে অথবা র‌্যাম্পের সময় বাড়াতে হবে। PFA বাধা দ্বারা তাপ স্থানান্তর আরও হ্রাস করা হয়।

1.5 মিমি PFA: R_total=0.0075 + 0.001=0.0085 সর্বোচ্চ তাপ প্রবাহ সর্বোচ্চ ΔT (120 ডিগ্রি)=120/0.0085=14118 W/m2। মোট হিটার পাওয়ার=14118 * 0.15=2118 W (2.1 kW)। ৩০ মিনিটের বেশি E_PFA=2,118 * 1,800=3.8 MJ। PFA বাধা 18 MJ (ধাতু) থেকে 3.8MJ-এ তাপ স্থানান্তর হ্রাস করে, প্রতিটি চক্রের 14.2MJ ক্ষতি হয়।

0.5 মিমি PFA: R_PFA=0.0025, R_total=0.0035. সর্বোচ্চ তাপ প্রবাহ=120 / 0.0035=34,286 W/m2 হিটার পাওয়ার=34,286 x 0.15=5,143 W (5.1 kW)। E_0.5 মিমি=5,143 x 1,800=9.3 MJ। ক্ষতি বনাম ধাতু=18 - 9.3=8.7 MJ, 1.5 মিমি PFA এর জন্য মোটামুটি অর্ধেক।

প্রতি চক্র বনাম প্রাচীর পুরুত্ব প্রতি শক্তির ক্ষতি
PFA বেধ (মিমি) R_PFA (m²·K/W) R_total (m²·K/W, h=1000) সর্বোচ্চ তাপ প্রবাহ ΔT=120 ডিগ্রীতে (W/m²) হিটার পাওয়ার (kW, A=0.15 m²) শক্তি প্রতি 30 মিনিটের র‌্যাম্পে (MJ) ধাতু শক্তির ট্রান্সফার (MJ) % লো মেটাল শক্তি হিসাবে 0 (ধাতু) 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%
ক্রায়োজেনিক সাইক্লিং এর ব্যবহারিক দিক
ক্রায়োজেনিক-থেকে-হট সাইকেল চালানোর জন্য, পিএফএ শিথের যথেষ্ট শক্তির জরিমানা রয়েছে, 30-মিনিটের র‌্যাম্পে 1.5-মিমি প্রাচীরের জন্য 80% ক্ষতির মতো। ছোট র‌্যাম্প সময়কালের জন্য জরিমানা বড় (পিএফএ বাধা দ্বারা তাপ স্থানান্তর সীমাবদ্ধ) এবং দীর্ঘ র‌্যাম্প সময়ের জন্য (পিএফএ-এর মাধ্যমে তাপ সঞ্চালনের জন্য সময় প্রদান) এর জন্য ছোট। 2 ঘন্টার বেশি চক্রের জন্য পিএফএ বাধা কম গুরুত্বপূর্ণ, কারণ সিস্টেমটি স্থির অবস্থায় আসে। দ্রুত সাইকেল চালানোর ক্ষেত্রে (30 মিনিট বা তার কম) PFA একটি বাধা হয়ে দাঁড়ায় যা হিটারের শক্তি বৃদ্ধি করে সমাধান করা যায় না, যেহেতু PFA-এর তাপ পরিবাহিতা মূল তাপমাত্রা নির্বিশেষে সর্বাধিক তাপ প্রবাহের একটি সীমা নির্ধারণ করে।

ক্রায়োজেনিক সাইক্লিংয়ের সময় শক্তির ক্ষতি কমাতে: (1) যান্ত্রিক এবং রাসায়নিক সীমাবদ্ধতা অনুমতি দিলে পাতলা PFA প্রাচীর (0.5-1.0 মিমি) ব্যবহার করুন। (2) নিম্ন তাপ প্রবাহ অফসেট করতে পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল (দীর্ঘ বা বড়-ব্যাসের হিটার) বৃদ্ধি করুন। (3) বর্ধিত তাপ পরিবাহিতা সহ একটি PFA গুণমান চয়ন করুন (কিছু বিশেষত্ব গ্রেড 0.25-0.30 W/mK, একটি 25-50% উন্নতি)। (4) সর্বোত্তম দক্ষতার জন্য, রাসায়নিক প্রতিরোধের খরচে একটি সম্পূর্ণ PFA খাপের পরিবর্তে একটি পাতলা PFA আবরণ (0.2-0.5 মিমি) সহ একটি ধাতব হিটার ব্যবহার করুন৷ (5) Rconv কমাতে h (5000 W/m2.K পর্যন্ত) বৃদ্ধি করতে এবং RPFA কে প্রভাবশালী কিন্তু এখনও সীমিত ফ্যাক্টর করতে রিসার্কুলেশন পাম্প যোগ করুন।

যদি এটি একটি বিদ্যমান ক্রায়োজেনিক সাইক্লিং প্রক্রিয়া হয় এবং আপনি শক্তির ক্ষতি সহ্য করতে না পারেন, তাহলে হিটারটিকে একটি রিসার্কুলেশন লুপে নিয়ে যাওয়ার সম্ভাবনা দেখুন যেখানে প্রবাহের বেগ বেশি এবং তাই h ভাল। এছাড়াও, হিটারটি বড় আকারের হতে পারে কারণ জায়গাটি প্রিমিয়ামের কম। একটি ধীর-প্রবাহ ট্যাঙ্কে একটি 2.5 মিমি পিএফএ হিটার প্রতি চক্রে মাত্র 2 এমজে স্থানান্তর করতে পারে। একটি উচ্চ-ফ্লো লুপে (h=5,000) অভিন্ন হিটার প্রতি চক্রে 3.5 MJ স্থানান্তর করবে -- একটি 75% উন্নতি৷

উপসংহার: PFA বাধা দ্রুত ক্রায়োজেনিক চক্রে 50-80% শক্তি ক্ষয় ঘটায়
পিএফএ শীথ হল একটি প্রধান তাপ নিরোধক, এবং ক্রায়োজেনিক-থেকে-হট সাইক্লিং অপারেশনে, এটি 50-80% শক্তির ক্ষয় ঘটায় এবং একটি বেয়ার মেটাল হিটারের বিপরীতে 30 মিনিট বা তার চেয়ে কম সময়ের র‌্যাম্প। একটি 1.5 মিমি পিএফএ প্রাচীরের ক্ষতি স্বাভাবিক 30 মিনিট, 120 সি র‌্যাম্পের জন্য প্রায় 80%। প্রকৌশলীদের হিটারের নকশা এবং চক্রের সময়ের গণনায় এই ক্ষতির জন্য হিসাব করতে হবে। পাতলা দেয়াল (0.5-1.0 মিমি), বৃহত্তর তাপ পরিবাহিতা পিএফএ গ্রেড, পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল বৃদ্ধি বা উন্নত পরিচলন উল্লেখ করে ক্ষতি হ্রাস করা যেতে পারে। বিকল্প হিটার ডিজাইন (পাতলা প্রলিপ্ত ধাতু, উচ্চ প্রবাহ সহ ইন-লাইন হিটার) এবং পলিমার বাধার পুরুত্ব হ্রাস দ্রুত চক্র প্রয়োগের জন্য বিবেচনা করা উচিত যেখানে শক্তি দক্ষতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। পিএফএ খাপ রাসায়নিক প্রতিরোধের প্রস্তাব দেয় তবে এটি একটি তাপীয় বাধাও বটে। ক্রায়োজেনিক সাইকেল চালানোর ক্ষেত্রে এই বাধা একটি ছোট সংশোধন নয় কিন্তু তাপ সংক্রমণের প্রাথমিক উপাদান। ক্ষতি বের করুন এবং তারপর এটির চারপাশে ডিজাইন করুন। পিএফএ বাধাকে অবহেলা করলে আন্ডারসাইজড হিটার হয় এবং পরিকল্পিত চক্র সময়ের চেয়ে 2-5 গুণ বেশি হয়।