Šalčio fizika{0}}Pradėkite šildyti – kas iš tikrųjų vyksta viduje
Kambario temperatūros kasetinis šildytuvas yra paprastas prietaisas. Įjunkite maitinimą ir jis įkaista. Ryšys tarp įtampos, srovės ir varžos atitinka Ohmo dėsnį. Šiluma perduodama iš varžos laido per magnio oksido izoliaciją į metalinį apvalkalą, o iš ten į aplinkinę medžiagą. Paprasta.
Esant minus 60 laipsnių temperatūrai, šis procesas nebėra paprastas.
Viską pakeičiantis terminis šokas
Kai įtampa tiekiama į varžos laidą, kuris buvo atšaldytas iki kriogeninės temperatūros, laido paviršiuje iš karto pradeda kauptis šiluma. Tačiau magnio oksido izoliacija ir metalinis apvalkalas aplink jį pradeda veikti ta pačia šalta temperatūra. Per pirmąsias kelias veikimo sekundes temperatūros gradientai tarp medžiagų sąsajų gali viršyti 500 laipsnių Celsijaus vienam centimetrui.
Šis greitas temperatūros pokytis sukelia šiluminį šoką, kurio standartinės konstrukcijos negali atlaikyti. Apvalkalo medžiagos trūkinėja, vidinės jungtys nutrūksta, o izoliacinės savybės blogėja.
Diferencialinis išsiplėtimas, sukeliantis stresą
Skirtingos medžiagos aušdamos susitraukia skirtingu greičiu. Kasetiniam šildytuvui naudojamos kelios medžiagos – apvalkalo metalas, keraminė izoliacija, varžos viela ir sandarinimo medžiagos – kiekviena turi savo šiluminio plėtimosi koeficientą. Kai šildytuvas pereina nuo kambario temperatūros iki minus 60 laipsnių, šios medžiagos susitraukia skirtingu greičiu.
Šiluminis susitraukimas nuo kambario temperatūros iki kriogeninių sąlygų yra apie 0,3 % nerūdijančio plieno ir 0,2 % Inconel lydinių. Šis apvalkalo, izoliacijos ir varžos vielos suspaudimo skirtumas sukuria vidinį slėgį, kurio standartinės konstrukcijos negali atlaikyti.
Projektuojant turi būti atsižvelgiama į šiuos skirtingus susitraukimus nesukuriant vidinių įtempimų, dėl kurių atsiranda įtrūkimų ar elektros problemų.
Atsparumas, kuris kinta priklausomai nuo temperatūros
Šildymo elemento elektrinė varža keičiasi priklausomai nuo temperatūros. Nikelio -chromo lydiniai, standartinė kasečių šildytuvo atsparumo laidų medžiaga, šaltai turi mažesnę varžą. Esant minus 60 laipsnių, atsparumas gali būti 10–15% mažesnis nei kambario temperatūroje.
Šildytuvas, kuris kambario temperatūroje sunaudoja 10 amperų, gali sunaudoti 11–12 amperų, kai pirmą kartą paleidžiamas esant dideliam šalčiui. Ši įsijungimo srovė, kuri gali būti 5–8 kartus didesnė už įprastą veikimo srovę, gali išjungti grandinės pertraukiklius arba sugadinti valdymo sistemas, kurios jai nebuvo skirtos.
Ši charakteristika naudinga norint įveikti kriogeninės aplinkos šiluminio kriauklę, tačiau ji taip pat labiau apkrauna laidą ir reikalauja valdymo sistemų, galinčių atlaikyti laikinas perkrovas.
Šilumos perdavimas kovoja su aplinka
Aplinkinė medžiaga minus 60 laipsnių temperatūroje veikia kaip agresyvi šilumos šalinimo priemonė. Jis atitraukia šiluminę energiją nuo šildytuvo greičiau nei oras ar šiltesnės medžiagos. Norint pasiekti ir palaikyti tikslinę temperatūrą, šildytuvas turi dirbti daugiau – tai reiškia, kad norint pasiekti darbinę temperatūrą, dažnai reikia didesnio vatų tankio.
Tačiau didesnis vatų tankis labiau apkrauna vidinius komponentus. Atsparumo viela gali sukurti vietines karštąsias vietas, kurios viršija saugią temperatūrą, net kai išorinis apvalkalas vis dar kovoja su šalta aplinka.
Šalta{0}}pradžios realybė
Kasetinio šildytuvo paleidimas minus 60 laipsnių temperatūroje nėra panašus į kambario temperatūros paleidimą. Terminis šokas, diferencinis plėtimasis, pasipriešinimo pokyčiai ir šilumos perdavimo iššūkiai sąveikauja taip, kaip standartinės konstrukcijos prielaidos neatsižvelgia.
Šios fizikos supratimas padeda paaiškinti, kodėl standartiniai šildytuvai sugenda ir kodėl būtini specializuoti dizainai. Taip pat paaiškinama, kodėl tinkamos valdymo strategijos, pvz., švelnaus paleidimo{1}}algoritmai, palaipsniui didinantys galią, gali žymiai pailginti šildytuvo tarnavimo laiką.
