Tác động của độ phẳng bề mặt đến hiệu suất truyền nhiệt tiếp xúc của tấm gia nhiệt là gì?

Bạn có thể có một tấm gia nhiệt có thể đọc được 200 độ nguyên sơ trên bề mặt nhưng nếu tấm gia nhiệt bị biến dạng, nó sẽ không bao giờ truyền nhiệt đó sang phôi. Vấn đề là có các túi khí nhỏ giữa tấm và chi tiết. Chúng là những trở ngại lớn cho việc truyền nhiệt. Độ phẳng cơ học của tấm gia nhiệt trong các quy trình nhiệt chính xác như cán, đúc và ép nóng quyết định hiệu quả truyền năng lượng từ lò sưởi đến vật liệu mục tiêu.

Khoảng trống không khí: Rào cản nhiệt
Nhiệt được truyền qua các điểm tiếp xúc rắn-rắn dễ dàng hơn nhiều so với trên các bề mặt rắn-không khí{2}}rắn. Độ dẫn nhiệt của không khí là khoảng 0,026 W/m·K, thấp hơn khoảng hai bậc so với các tấm gia nhiệt bằng kim loại thông thường (ví dụ: hợp kim thép hoặc nhôm). Khả năng chịu nhiệt tăng lên đáng kể ngay cả với khoảng cách 0,01 mm. Khi tấm gia nhiệt không phẳng hoàn toàn (ví dụ như đĩa, độ gợn sóng, hình vòng cung), phôi chỉ tiếp xúc với các điểm cao. Chúng là những miếng tiếp xúc nhỏ truyền nhiệt qua chúng, tạo ra nhiệt độ không đồng đều và tấm cần chạy ở nhiệt độ cao hơn, gây lãng phí năng lượng.

Trong thực tế, hiệu suất truyền nhiệt độ phẳng của tấm gia nhiệt không phải là một thông số kỹ thuật trừu tượng mà là một thước đo hoạt động có thể quan sát được. Độ phẳng kém cung cấp một lớp không khí cách nhiệt mà hệ thống sưởi phải khắc phục bằng cách tăng nhiệt độ điểm đặt, đẩy nhanh quá trình suy giảm nhiệt của các bộ phận và tăng thời lượng chu kỳ.

Độ phẳng kém và giảm hiệu suất truyền nhiệt
Ba thông số được kết nối xác định điện trở nhiệt tiếp xúc: độ nhám bề mặt, độ phẳng và áp suất tiếp xúc. Đây là tỷ lệ phần trăm diện tích tiếp xúc danh nghĩa thực sự chạm vào phôi. Điều này được xác định bởi sự lệch của bề mặt tấm khỏi mặt phẳng hình học lý tưởng (độ phẳng). Một tấm phẳng dài 1 mét có dung sai độ phẳng 0,1 mm nhìn có vẻ phẳng nhưng khi kẹp lại vẫn còn những khoảng trống lớn.

Một số ảnh hưởng quan trọng của độ phẳng kém bao gồm:

Điểm nóng. Các khu vực có khe hở không khí ngăn nhiệt thoát ra ngoài hiệu quả khiến các điểm nóng nóng hơn phần còn lại của tấm.

Năng lượng kém hiệu quả Hệ thống sưởi ấm bù đắp cho sự tiếp xúc không đầy đủ bằng cách tăng nhiệt độ tấm trung bình. Điều này dẫn đến việc sử dụng năng lượng cao hơn.

Sự thay đổi về chất lượng sản phẩm Truyền nhiệt không đồng đều trong quá trình cán hoặc đúc gây ra sự biến đổi về quá trình đóng rắn, liên kết hoặc tạo hình.

Sự cong vênh có thể được chỉ ra bằng cách kiểm tra thước đo cảm biến đơn giản trong quá trình bảo trì. Các khoảng trống được xác định bằng cách tách tấm ra khỏi thước thẳng hoặc bề mặt tham chiếu bằng thước đo 0,05 mm. Nếu máy đo được phép di chuyển trên diện tích lớn của tấm thì hiệu suất truyền nhiệt sẽ giảm.

Đánh giá định lượng khả năng chịu nhiệt của khe hở không khí
Điện trở nhiệt của khe hở không khí bề mặt được tính gần đúng theo công thức sau: �gap=��⋅�Rgap​=k⋅At​ , trong đó �t là độ dày khe hở, �k là độ dẫn nhiệt của không khí (0,026 W/m⋅K) và �A là diện tích của khe hở . Đối với khe hở chỉ 0,01 mm (0,00001 m) trên diện tích 0,1 mét vuông, điện trở nhiệt là khoảng 0,00385 K/W. Mặc dù giá trị này có vẻ nhỏ nhưng nó trở nên quan trọng khi được kết hợp trên nhiều khoảng trống, đặc biệt khi so sánh với điện trở tiếp xúc rắn của các bề mặt kim loại, có độ lớn nhỏ hơn trong các tấm-dẹt.

Ngoài ra độ phẳng có liên quan đến áp lực tiếp xúc. Lực kẹp tăng có thể làm biến dạng phôi hoặc tấm để loại bỏ một số khoảng trống nhưng bị hạn chế. Nếu áp suất quá cao, nó có thể làm hỏng phôi hoặc bản thân tấm gia nhiệt. Điều này có nghĩa là tấm tạo hình đòi hỏi độ phẳng, hiệu quả truyền nhiệt của tấm gia nhiệt chứ không phải điều chỉnh lực sau khi lắp đặt.

Vai trò của mài chính xác để đạt được độ phẳng tối ưu
Câu trả lời là mài bề mặt chính xác. Các tấm gia nhiệt được sử dụng để cán và đúc thường được mài giũa để có dung sai độ phẳng từ 0,025 đến 0,05 mm mỗi mét (hoặc khoảng 0,001 đến 0,002 inch mỗi foot trong hệ mét). Dung sai này được đưa ra dưới dạng Giá trị đọc chỉ số tổng (TIR) ​​theo tiêu chuẩn ANSI B89.3.1 hoặc ISO 12781. Việc mài chính xác làm giảm độ gợn sóng vi mô và tạo ra một mặt phẳng nhất quán giúp tối đa hóa diện tích tiếp xúc từ rắn-đến{10}}khối rắn khi phôi được áp dụng.

Nhưng không chỉ độ phẳng ở nhiệt độ phòng mới là điều cần cân nhắc. Nếu các tấm không được giảm bớt ứng suất một cách thỏa đáng hoặc không có độ dày đồng đều thì sự giãn nở nhiệt có thể làm cho các tấm bị biến dạng. Tấm gia nhiệt phẳng ở góc 20 độ có thể bị cong đáng kể ở góc 200 độ do lực căng dư hoặc gia nhiệt không đều. Do đó, các nhà sản xuất phải:

Căng thẳng làm giảm bớt tấm trước khi xay lần cuối.

Duy trì độ dày-mặt cắt ngang nhất quán.

Chỉ định dung sai độ phẳng trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ làm việc.

Việc đầu tư vào quá trình mài chính xác sẽ dẫn đến sự cải tiến có thể đo lường được trong quy trình: mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, thời gian làm nóng-nhanh hơn và phân bổ nhiệt độ không đổi trên phôi. Ví dụ, tùy thuộc vào ứng dụng, tấm có độ phẳng 0,03 mm/m sẽ có nhiệt độ điểm đặt thấp hơn 10–15 độ so với tấm có độ phẳng 0,15 mm/m.

Đo lường và duy trì độ phẳng trong vận hành
Thông số kỹ thuật về độ phẳng sẽ vô giá trị nếu không được đo lường và bảo trì đầy đủ. Trên thực tế, ba chiến lược được sử dụng:

Tấm bề ​​mặt và chỉ báo quay số: Tấm gia nhiệt được đặt trên bề mặt tham chiếu đã được chứng nhận và phương sai được đo trên lưới bằng chỉ báo quay số.

Giao thoa ánh sáng phẳng và đơn sắc quang học cho thấy độ lệch độ phẳng của các tấm chất lượng rất cao theo phân số của bước sóng ánh sáng.

– Thước đo cảm giác và thước thẳng: Kiểm tra-nhanh chóng trong quy trình. " Nếu thước lá 0,05 mm đi sâu hơn 5 mm dưới thước thẳng thì thước đo đó phải được mài lại.

Theo thời gian, các tấm gia nhiệt có thể mất đi độ phẳng do chu kỳ nhiệt, lực kẹp không đồng đều hoặc hư hỏng cơ học. Chương trình bảo trì kiểm tra độ phẳng thường xuyên – sáu đến mười hai tháng một lần đối với-hệ thống có hiệu suất cao – sẽ tránh làm giảm hiệu suất truyền nhiệt một cách chậm rãi.

Kết luận: Độ phẳng là yếu tố quyết định hiệu suất nhiệt
Độ phẳng cơ học của tấm gia nhiệt quyết định hiệu suất nhiệt của nó và kỹ thuật chính xác của bề mặt cũng quan trọng như bản thân các bộ phận làm nóng. Độ phẳng kém gây ra các khe hở không khí có tác dụng cách nhiệt rất mạnh. Điều này khiến hệ thống sưởi chạy nóng hơn, lâu hơn và kém đều hơn. Mặt khác, tấm gia nhiệt có dung sai độ phẳng nghiêm ngặt (0,025–0,05 mm/m) được mài để cho phép truyền nhiệt rắn-rắn hiệu quả, giảm thiểu lãng phí năng lượng và duy trì chất lượng sản phẩm ổn định.

Công nhiệt thực được thực hiện tại bề mặt tiếp xúc giữa bộ gia nhiệt và phôi. Không có mức độ kiểm soát nhiệt độ bên trong hoặc điều chỉnh PID đáp ứng nào có thể bù đắp cho tấm bị cong vênh. Do đó, việc xác định và duy trì hiệu suất truyền nhiệt độ phẳng của tấm gia nhiệt không phải là chi tiết bổ sung-mà đó là nhu cầu cơ bản cho bất kỳ quy trình sản xuất nào được điều khiển bằng nhiệt. Việc mài chính xác biến tấm gia nhiệt từ một nguồn nhiệt đơn giản thành một công cụ nhiệt đáng tin cậy và hiệu quả.