จะระบุแผ่นทำความร้อนสำหรับกระบวนการที่ต้องการความเย็นลงอย่างรวดเร็วมาก- โดยใช้การทำความเย็นด้วยไนโตรเจนเหลวได้อย่างไร

สื่อวิจัยจะต้องให้ความร้อนแก่ตัวอย่างถึง 300 องศาเซลเซียส จากนั้นภายในไม่กี่วินาที ก็พุ่งเข้าหาอุณหภูมิแช่แข็งที่ใกล้ลบ 100 องศาเซลเซียส การระบายความร้อนด้วยน้ำแบบเดิมๆ นั้นช้าเกินไปสำหรับกระบวนการดังกล่าว ตัวแท่นจะต้องถูกเติมไนโตรเจนเหลวที่เดือดอยู่ภายในแทน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนที่รุนแรง ซึ่งผลักดันทั้งวัสดุและสถาปัตยกรรมการทำความเย็นให้ถึงขีดจำกัดทางกายภาพ นี่ไม่ใช่ชุดประกอบระบายความร้อนทั่วไป เป็นเครื่องมือที่สามารถแช่แข็งได้ โดยที่วัสดุแท่นวาง ช่องการไหลภายใน ซีล ท่อร่วม และระบบควบคุม จะต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงซ้ำๆ จากความร้อนจัดไปสู่การทำความเย็นด้วยความเย็นจัดในระดับลึก โดยไม่มีการแตกร้าว การบิดเบี้ยว หรือความเย็นที่-ไม่สามารถควบคุมได้

การพัฒนาให้เหมาะสมข้อมูลจำเพาะของแผ่นทำความร้อนระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลวดังนั้นจึงต้องให้ความสนใจโดยละเอียดเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์วัสดุไครโอเจนิก พลศาสตร์ของไหลอุณหภูมิต่ำ- การจัดการความเครียดจากความร้อน และวิศวกรรมการควบคุมที่แม่นยำ

ทำความเข้าใจกับความต้องการของการทำความเย็นแบบไครโอเจนิก

ไนโตรเจนเหลวจะเดือดที่อุณหภูมิประมาณ -196 องศาเซลเซียส ภายใต้ความดันบรรยากาศ เมื่อนำเข้าไปในแท่นร้อน ของเหลวจะเกิดการเปลี่ยนสถานะทันที โดยดูดซับพลังงานความร้อนจำนวนมหาศาลในขณะที่ระเหย

กระบวนการนี้สร้างอัตราการทำความเย็นที่รวดเร็วเป็นพิเศษ ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยระบบน้ำ ไกลคอล หรือ{0}}อากาศบังคับ

อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่เกิดขึ้นบนแท่นวางจะรุนแรง การไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่สามารถเกิดขึ้นได้ภายในไม่กี่วินาที ทำให้เกิดความเค้นเชิงกลที่รุนแรงทั่วทั้งโครงสร้าง

แท่นวางถูกอาบไปด้วยกระแสไนโตรเจนเหลวที่กำลังเดือด ซึ่งเป็นการเปลี่ยนจากร้อนไปเป็นเย็นอย่างรุนแรงและน่าสะพรึงกลัว และเส้นเลือดภายในจะต้องถูกสร้างขึ้นเพื่อให้สามารถทนต่อแรงกระแทกได้โดยไม่เกิดการเปราะหรือแตกหัก

การเลือกวัสดุแท่นวางที่ถูกต้อง

ข้อกำหนดด้านความเหนียวแบบไครโอเจนิกส์

การเลือกใช้วัสดุเป็นรากฐานของความสำเร็จข้อมูลจำเพาะของแผ่นทำความร้อนระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว.

โลหะวิศวกรรมทั่วไปหลายชนิดจะเปราะที่อุณหภูมิเยือกแข็ง เหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมแข็งบางชนิดอาจสูญเสียความเหนียวเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิไนโตรเจนเหลว

ด้วยเหตุนี้ แท่นวางจึงควรถูกตัดเฉือนจากวัสดุที่ทราบกันดีเป็นพิเศษในเรื่องความเหนียวจากการแช่แข็ง

ตัวเลือกทั่วไป ได้แก่:

ออสเตนิติกสแตนเลส 304L

ออสเตนิติกสแตนเลส 316L

อะลูมิเนียมอัลลอยด์เกรดไครโอเจนิก-ที่เลือก

วัสดุเหล่านี้ยังคงความเหนียวและความต้านทานการแตกหักแม้ในอุณหภูมิที่ต่ำมาก

Charpy V-การตรวจสอบรอยบาก

ข้อมูลจำเพาะควรต้องมีข้อมูลพลังงานกระแทก Charpy V- ที่อุณหภูมิการทำงานต่ำสุดที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว

การทดสอบนี้ยืนยันว่าวัสดุยังคงความเหนียวเพียงพอในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วและการสัมผัสกับอุณหภูมิเย็นจัด

หากไม่มีการตรวจสอบประสิทธิภาพการกระแทก การแตกร้าวในระดับจุลภาคอาจเกิดขึ้นในระหว่างรอบการทำความร้อนและการทำความเย็นซ้ำๆ ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ความล้มเหลวของโครงสร้าง

การออกแบบช่องระบายความร้อนภายในสำหรับบริการไครโอเจนิกส์

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการไหลของเฟสสอง-

ช่องระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลวแตกต่างอย่างมากจากช่องระบายความร้อนด้วยน้ำ-ทั่วไป

ภายในแท่นวาง ไครโอเจนจะเปลี่ยนจากของเหลวเป็นแก๊สอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมการไหลแบบสองเฟสที่ซับซ้อน- หากช่องได้รับการออกแบบไม่ดี โซนการทำความเย็นไม่สม่ำเสมอ สภาวะเวเปอร์ล็อค หรือความเครียดจากความร้อนเฉพาะจุดอาจเกิดขึ้นได้

ช่องภายในจึงควรได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ:

การไหลแบบแช่แข็งด้วยความเร็วสูง-

ควบคุมพฤติกรรมการต้ม

การสกัดด้วยความร้อนสม่ำเสมอ

ข้อ จำกัด การไหลต่ำ

กระจายแรงกดได้สม่ำเสมอ

การออกแบบท่อร่วมไอดี

ท่อร่วมไอดีต้องกระจายไนโตรเจนเหลวให้เท่ากันทั่วทั้งแท่น

ท่อร่วมที่สมดุลอย่างไม่เหมาะสมสามารถสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิที่รุนแรงบนพื้นผิวการทำงานได้ การกระจายตัวของไครโอเจนที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการป้องกันความเครียดจากการหดตัวเฉพาะจุดและการบิดเบือนของพื้นผิว

การวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณมักใช้เพื่อปรับรูปทรงท่อร่วมและเค้าโครงช่องสัญญาณให้เหมาะสมเพื่อการส่งไนโตรเจนที่เสถียร

การควบคุมทางลาดทำความเย็น

การป้องกัน-การระบายความร้อน

การระเบิดของไนโตรเจนเหลวที่ไม่สามารถควบคุมได้อาจทำให้อุณหภูมิเกินเป้าหมายอย่างรวดเร็ว และแช่แข็งชิ้นงานหรือเครื่องมือได้

ข้อกำหนดจึงควรรวมถึง:

PID-การควบคุมความเย็นแบบควบคุม

ไครโอเจนิกส์-การควบคุมการไหลตามสัดส่วนที่เข้ากันได้

ลูปป้อนกลับความร้อนความเร็วสูง-

การตรวจจับอุณหภูมิแบบหลาย-โซน

ต้องวัดอัตราการไหลของไนโตรเจนเหลวอย่างแม่นยำเพื่อให้ได้โปรไฟล์ทางลาดทำความเย็นที่ต้องการ

ข้อกำหนดของโซลินอยด์วาล์วไครโอเจนิกส์

ระบบทำความเย็นควรรวมวาล์วโซลินอยด์ไครโอเจนิกประสิทธิภาพสูง-ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับบริการไนโตรเจนเหลวโดยเฉพาะ

วาล์วอุตสาหกรรมมาตรฐานอาจยึด รั่ว หรือสูญเสียความสมบูรณ์ของการปิดผนึกที่อุณหภูมิแช่แข็ง

วาล์วไครโอเจนิกที่เหมาะสมได้รับการออกแบบด้วย:

วัสดุที่นั่งที่อุณหภูมิต่ำ-

หมวกกันน็อคแบบขยาย

การชดเชยการหดตัวด้วยความร้อน

ความสามารถในการตอบสนองที่รวดเร็ว

ความเร็วตอบสนองของวาล์วมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการที่ต้องมีการควบคุมการเปลี่ยนผ่านความร้อนอย่างเข้มงวด

ข้อกำหนดเกี่ยวกับซีล เซนเซอร์ และการเชื่อมต่อ

ไครโอเจนิกส์-ส่วนประกอบที่เข้ากันได้

ส่วนประกอบทุกชิ้นที่สัมผัสกับวงจรทำความเย็นจะต้องทนอุณหภูมิได้ใกล้ถึง -196 องศาเซลเซียส

ข้อมูลจำเพาะควรกำหนดให้มีอัตราการแช่แข็ง-:

โอ-วงแหวน

ปะเก็น

เทอร์โมคัปเปิล

RTD

ตัวแปลงสัญญาณแรงดัน

ท่ออ่อน

ป้อนผ่านไฟฟ้า

อีลาสโตเมอร์มาตรฐานมักจะแข็งตัวและแตกร้าวที่อุณหภูมิเยือกแข็ง

การเชื่อมต่อแบบสุญญากาศ-แบบแจ็คเก็ตและแบบหุ้มฉนวน

การเชื่อมต่อท่อร่วมหล่อเย็นทั้งหมดควรหุ้มด้วยสุญญากาศ-หรือหุ้มฉนวนอย่างแน่นหนา

หากไม่มีฉนวน ความชื้นในบรรยากาศจะควบแน่นและแข็งตัวอย่างรวดเร็วบนพื้นผิวท่อภายนอก ทำให้เกิดการสะสมของน้ำแข็งจำนวนมาก

การก่อตัวของน้ำแข็งภายนอกอาจทำให้เกิดอันตรายในการทำงานหลายประการ:

การเคลื่อนไหวของวาล์วถูกจำกัด

การรบกวนของเซ็นเซอร์

การโหลดทางกล

อันตรายด้านความปลอดภัยสำหรับผู้ปฏิบัติงาน

การสูญเสียความร้อนเพิ่มขึ้น

สายส่งที่หุ้มฉนวนสุญญากาศ-ช่วยลดความร้อนที่รั่วไหลเข้าสู่วงจรไครโอเจนิกได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็ลดการสะสมของน้ำค้างแข็งภายนอก

ความปลอดภัยของแรงดันและการขยายตัวของก๊าซ

อันตรายจากการขยายตัวของไนโตรเจน

เมื่อไนโตรเจนเหลวเดือด มันจะขยายตัวอย่างรวดเร็วเป็นไนโตรเจนที่เป็นก๊าซ

ของเหลวที่ติดอยู่แม้แต่ปริมาณเล็กน้อยก็สามารถสร้างแรงกดดันที่สูงมากได้หากเกิดการระเหยภายในช่องที่ปิดสนิท

ด้วยเหตุนี้ ระบบแท่นไครโอเจนิกทุกระบบจึงต้องประกอบด้วย:

วาล์วระบายความดัน

อุปกรณ์ป้องกันการระเบิด

เส้นทางระบายอากาศ

โซนการชดเชยการขยายตัว

ชุดประกอบแท่นวางและท่อร่วมควรผ่านการทดสอบแรงดันก่อนใช้งาน

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการกำจัดออกซิเจน

การปล่อยไนโตรเจนในปริมาณมากอาจแทนที่ออกซิเจนภายในสภาพแวดล้อมที่ปิดล้อม

การติดตั้งทางอุตสาหกรรมมักต้องการ:

การติดตามภาวะขาดออกซิเจน

ระบบระบายอากาศ

ท่อไอเสีย

ระบบปิดฉุกเฉิน

ข้อกำหนดเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในห้องปฏิบัติการหรือการใช้งาน-ในพื้นที่จำกัด

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับความล้าจากการปั่นจักรยานด้วยความร้อน

การเปลี่ยนผ่านซ้ำๆ ระหว่างอุณหภูมิกระบวนการที่สูงขึ้นและการทำความเย็นด้วยความเย็นเยือกแข็งทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนแบบวงจรที่มีนัยสำคัญ

เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้สามารถทำให้เกิด:

ความเหนื่อยล้าจากการเชื่อม

การเสื่อมสภาพของซีล

ไมโครแคร็กกิ้ง

การบิดเบือนพื้นผิว

การสะสมความเครียดภายใน

โดยทั่วไปแล้ว การวิเคราะห์ความเครียดจากความร้อนขององค์ประกอบจำกัดจะดำเนินการในระหว่างการออกแบบแท่นวางเพื่อคาดการณ์{0}พฤติกรรมความล้าในระยะยาว

ต้องให้ความสนใจกับ:

มุมภายในที่คมชัด

เรขาคณิตการเชื่อม

การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน

คุณภาพการตกแต่งพื้นผิว

แม้แต่เครื่องรวมความเครียดขนาดเล็กก็สามารถกลายเป็นจุดเริ่มต้นการแตกร้าวได้ภายใต้สภาวะการหมุนเวียนความร้อนที่รุนแรง

บทสรุป

ออกแบบมาอย่างเหมาะสมข้อมูลจำเพาะของแผ่นทำความร้อนระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลวต้องการมากกว่าแค่การเพิ่มช่องของเหลวแช่แข็งลงในจานที่ให้ความร้อน แท่นวางจะกลายเป็นเครื่องมือแช่แข็งแบบพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อให้สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันอย่างรุนแรงซ้ำๆ ขณะเดียวกันก็รักษาความเสถียรของมิติ ความสม่ำเสมอของความร้อน และการควบคุมความเย็นที่แม่นยำ

ต้องเลือกวัสดุที่เข้ากันได้กับไครโอเจนิกส์-ซึ่งมีความทนทานต่อแรงกระแทกต่ออุณหภูมิต่ำ-ที่ผ่านการตรวจสอบแล้วอย่างระมัดระวัง ช่องระบายความร้อนภายในต้องรองรับการไหลของไนโตรเจน-เฟสที่เสถียร ในขณะที่วาล์วไครโอเจนิกที่ควบคุมด้วย PID- อย่างแม่นยำจะควบคุมทางลาดระบายความร้อนเพื่อป้องกันการทำลายล้างเหนือ-การยิง ซีล เซ็นเซอร์ ท่อร่วม และการเชื่อมต่อทุกชิ้นจะต้องทนต่ออุณหภูมิที่ใกล้ถึง -196 องศาเซลเซียส และทั้งระบบจะต้องจัดการการขยายตัวของก๊าซขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างการเดือดได้อย่างปลอดภัย

ในที่สุดการระบายความร้อนที่เร็วที่สุดที่เป็นไปได้จะถูกส่งโดยของเหลวที่มีอยู่ใกล้กับขอบของความสามารถในการอยู่รอดของชั้นบรรยากาศ โดยที่ไครโอเจนที่เดือดได้กลายเป็นหนึ่งในกลไกการสกัดด้วยความร้อนที่ทรงพลังที่สุดที่มีอยู่ในวิศวกรรมอุตสาหการ