Com afecta la capacitat tèrmica d'una platina en la seva resposta a un canvi sobtat de consigna?

La recepta del procés requereix que la platina de premsa passi de 150 graus C a exactament 200 graus tan ràpidament com sigui possible. Un plat d'alumini lleuger i prim s'enfilarà cap al nou objectiu, però probablement superarà i després oscil·larà, com un cotxe de carreres inquiet. Una platina d'acer gran i gruixuda s'enfonsarà cap a la nova temperatura d'una manera lent, metòdica i rocosa-com un tren de mercaderies pesades. El seu comportament és diferent per la seva capacitat tèrmica. La capacitat d'un material per absorbir i emmagatzemar energia calorífica. Tant si es tracta d'un velocista tèrmic com d'un corredor de marató està determinat pel pes del plat i la calor específica del metall.

Aquest article tracta de la relació de resposta que governa el comportament dinàmic del canvi del punt de consigna de la placa de capacitat tèrmica de les platines escalfades i ofereix pautes per determinar la massa tèrmica adequada per a una operació específica.

Comprensió de la capacitat tèrmica
Definició i Elements
La capacitat tèrmica (de vegades escrita com 𝒯ℎCth​) és la quantitat d'energia tèrmica necessària per augmentar la temperatura d'un objecte en un grau. Per a un plat es calcula com:

Cth=m⋅cp

on m és la massa del plat i cp és la capacitat calorífica específica del material (per exemple, acer ~0,46 kJ/(kg·K), alumini ~0,90 kJ/(kg·K)). La capacitat tèrmica d'un plat gran i pesat d'un material amb alta calor específica és alta. Una placa fina i petita de material amb poca calor específica té una petita capacitat tèrmica.

Capacitat tèrmica com a volant
Una placa d'alta capacitat tèrmica és un condensador tèrmic gegant, o "volant de calor". Es necessita molta energia per canviar la temperatura. Un cop escalfat resisteix el refredament, un cop refrigerat resisteix l'escalfament. Aquesta inèrcia li confereix una resistència intrínseca a petites pertorbacions tèrmiques- breus fluctuacions de la potència de l'escalfador, variacions de la temperatura ambient o contacte fugaç amb una peça freda. El gruixut plat d'acer és un camell tèrmic de pacient lent, que emmagatzema la calor i la crema lentament. El prim d'alumini és una llebre ràpida en pànic, que reacciona a cada petit canvi en la ingesta d'energia.

La resposta dinàmica a un canvi de pas de consigna
Resposta al procés de primera comanda
La resposta de temperatura d'un plat a un canvi de pas en el punt de consigna (o la sortida de l'escalfador) és aproximadament un sistema de primer-ordre. L'equació rectora ve donada per:

·+=+ τ ⋅ d T d T + T=T final

on τ és la constant de temps tèrmica, proporcional a la capacitat tèrmica del plat i inversament proporcional al coeficient de pèrdua de calor (convecció, radiació i conducció a l'ambient). En paraules pràctiques, com més gran és la capacitat tèrmica, més gran és la constant de temps.

Propietats de resposta Alta capacitat tèrmica
El plató amb alta capacitat tèrmica mostra:

Temps d'augment lent - La temperatura augmenta lentament fins al nou punt de consigna. Plat d'acer gran, el 63% del canvi de temperatura final pot trigar diversos minuts, o fins i tot desenes de minuts.

Superació mínima. La inèrcia tèrmica és un amortidor natural. Fins i tot amb un controlador mal ajustat, la temperatura tendeix a apropar-se al punt de consigna sense problemes sense sobrepassar i sense oscil·lacions.

Alta immunitat al soroll - Les variacions de la potència de l'escalfador durant un temps curt (p. ex., causades per variacions de la tensió de la línia) tenen poc efecte sobre la temperatura del plat.

Temps d'assentament llarg - La platina arriba al punt de consigna i s'hi queda, però triga una estona a arribar-hi si el punt de consigna torna a canviar.

Aquesta característica és adequada per a aplicacions que requereixen una estabilitat de temperatura severa (per exemple, modelat de precisió, premsat òptic, unió de semiconductors) i quan el temps de cicle no és la principal limitació.

Resposta Característiques: baixa capacitat calorífica
El comportament d'un plató de baixa capacitat tèrmica (per exemple, plató prim d'alumini) és força diferent:

Temps de pujada ràpid - La platina reacciona pràcticament instantàniament als canvis de potència de l'escalfador. El temps de pujada del 63% pot ser en segons en lloc de minuts.

Overshoot - L'ajustament incorrecte del bucle de control proporcional-integral-derivat (PID) fa que la temperatura superi el punt de consigna, superi i potser oscil·li abans d'establir-se.

Sensibilitat a les interrupcions - Un breu tall d'alimentació o una ràfega ràpida d'aire fresc produiran una baixada notable de la temperatura. El plat es molesta fàcilment.

Temps d'assentament ràpid - La platina respon ràpidament al canvi del punt de consigna de nou, permetent un cicle ràpid.

Aquesta característica és excel·lent per a aplicacions on el temps de cicle és important (per exemple, modelat per injecció d'alt rendiment, cicle tèrmic ràpid, equips de prova) i quan són acceptables canvis de temperatura modestos.

Compartiment-: temps de cicle i estabilitat
Per què la producció lenta d'alta capacitat tèrmica?
La constant de temps tèrmica d'una platina d'alta massa és llarga i s'afegeix directament al temps de cicle del procés. Per exemple, en una operació d'emmotllament, el plat es pot escalfar a una primera temperatura per a l'ompliment, després a una segona temperatura per a la curació i després refredar-se per a l'expulsió de les peces. Cada ajust del punt de consigna triga molts minuts. "La qualitat de les peces és excel·lent, però les parts per hora no". Una resposta tan lenta és econòmicament inadequada per a la producció de grans volums.

Per què la baixa capacitat tèrmica és un perill per a les fluctuacions de temperatura
El plat de baix pes té una resposta ràpida a costa de l'estabilitat de la temperatura. Si el controlador PID no està ben ajustat, la temperatura pot oscil·lar al voltant del punt de consigna. Fins i tot si la platina està perfectament controlada, està subjecta a pertorbacions com la temperatura de la peça entrant, corrents d'aire a l'habitació, càrrega parcial de la premsa, etc. Per a procediments en què la qualitat del producte és especialment sensible a una tolerància estreta a la temperatura (per exemple, . +/-.5 graus), una platina de massa massa pot no ser adequada.

La funció del controlador PID
El controlador PID pot recuperar algunes de les deficiències de cada tipus de platina. Per a una placa de baixa capacitat tèrmica és necessari un controlador ràpid agressiu. Heu de seleccionar correctament el terme derivat (D) per predir l'excés i aplicar la frenada. Per a una placa d'alta capacitat tèrmica, el controlador pot ser més conservador i més lent. Però hi ha una física fonamental que no es pot superar mitjançant l'ajust de control: un plat pesat sempre reaccionarà més lentament que un de lleuger, i un de lleuger sempre serà més reactiu a les pertorbacions que un de pesat.

Efectes del material i la geometria sobre la capacitat tèrmica
Alumini versus acer
Els dos materials més freqüents per a platines són l'acer i l'alumini. Les seves característiques tèrmiques són força diferents:

Densitat del material (kg/m3) Calor específica (kJ/(kg.K)) Capacitat tèrmica per unitat de volum (kJ/(m3.K)) Conductivitat tèrmica (W/(mK)) Acer (suau) 7850 0.46 3610 45–50
Alumini (6061) 2700 0.90 2430 167
L'alumini té una calor específica més alta per kg, mentre que l'acer té una densitat molt més alta. Una placa d'acer té 1,5 vegades la capacitat tèrmica d'una placa d'alumini per al mateix volum (3610 en comparació amb 2430 kJ/(m³·K)). Però la major conductivitat tèrmica de l'alumini permet que la calor es mogui més ràpidament, i això pot conduir a una temperatura més uniforme encara que la capacitat tèrmica total sigui menor.

El gruix com a instrument de disseny
El gruix de la placa d'un material determinat augmenta immediatament la massa i, per tant, la capacitat tèrmica. Un plat d'acer de 50 mm de gruix té cinc vegades la capacitat calorífica d'un plat d'acer de 10 mm de gruix de la mateixa petjada. La sintonització de la inèrcia tèrmica desitjada s'aconsegueix més directament pel gruix. Platines primes (10-20 mm) per a un cicle ràpid. Platines gruixudes (50-100 mm o més) per a aplicacions d'alta estabilitat i càrrega pesada.

Implicacions per a la pràctica del disseny de processos
Selecció del plat per a un temps de cicle específic
Sovint, la restricció-superior és el temps de cicle necessari. Un simple càlcul utilitzant la capacitat tèrmica de la platina pot donar una estimació del temps de cicle mínim possible. El temps perquè la temperatura de la placa variï ΔT amb una potència de l'escalfador ΔP ve donat aproximadament per:

t≈Pm⋅cp​⋅ΔT​�≈�⋅��⋅Δ��

Això suposa una eficiència perfecta i sense pèrdues de calor. De fet, el temps real és més llarg. Si el temps calculat supera el temps permès per al temps de cicle, s'ha de seleccionar un plat amb menor capacitat tèrmica (més prim, més lleuger o d'alumini en comptes d'acer) o s'ha d'augmentar la potència de l'escalfador.

Múltiples Zones i Control Independent
Les zones de calefacció independents es poden incorporar a una gran placa pesada. Cada zona inclou un escalfador i un sensor de temperatura propis. Això permet dividir tota la capacitat tèrmica en masses controlables independentment més petites. La resposta a un canvi de punt de consigna pot ser més ràpida ja que cada escalfador de zona només necessita modificar la temperatura de la seva àrea local, no tota la placa. Però les zones s'han de planificar adequadament per eliminar els gradients de calor i la conversa-.

Emmagatzematge i preescalfament d'energia
Quan els processos inclouen un augment ràpid de la temperatura (per exemple, de 150 graus a 200 graus en premsar), la capacitat tèrmica de la platina pot servir com a dipòsit d'energia emmagatzemada. La platina s'escalfa a una temperatura superior a la necessària, després un sistema de refrigeració (o simplement apagant els escalfadors) la baixa fins al punt de consigna. Aquest mètode de "overshoot and hold" s'utilitza en diverses aplicacions ràpides. Funciona millor amb una placa de massa tèrmica baixa, ja que es pot refredar ràpidament, una placa de massa tèrmica gran trigaria massa a abocar la calor sobrant.

Exemple pràctic: dues platines comparades
Agafeu dues plaques de mida 500 mm × 500 mm:

Platina A: Acer, 40 mm. La massa és 0,5 m * 0,5 m * 0,04 m * 7850 kg/m^3=78.5 kg. Capacitat tèrmica=78.5 × 460=36,100 J/K Potència de l'escalfador=5 kW.

Platina B: Alumini, 20 mm de gruix. Massa=0.5 * 0,5 * 0,02 * 2700=13.5kg Capacitat tèrmica=13.5 x 900=12150 J/K Potència de l'escalfador=3 kW.

A tots dos se'ls demana que passin de 150 C a 200 C (DT=50 C).

Energia a la placa A=36,100 × 50=1.805 MJ. 5 kW, temps mínim d'escalfament=361 segons (uns 6 minuts).

Energia necessària per a la placa B=12, 150 × 50=0.6075 MJ. A 3 kW min de temps d'escalfament=202 s (∼3,4 min).

Tanmateix, en realitat, a causa de les pèrdues de calor i les restriccions del controlador, la platina A pot trigar 10 minuts a assentar-se, però la platina B pot assolir el punt de consigna en 5 minuts però sobrepassar-se entre 3 i 5 graus abans d'establir-se. La compensació és evident.

Conclusió: Sincronització de la inèrcia tèrmica amb el ritme del procés
La capacitat tèrmica de la platina és el botó d'ajustament principal per al comportament dinàmic del procés, una opció bàsica que sacrifica la velocitat d'una màquina de cicle ràpid-per l'estabilitat constant i inamovible d'una de gran. Un plat d'acer gruixut (alta capacitat tèrmica) proporciona una bona estabilitat a la temperatura, resisteix les pertorbacions i segueix sense problemes els canvis del punt de consigna, encara que a costa de durades de cicle prolongades. Una placa de massa tèrmica baixa (alumini prim) significa un escalfament i un refredament ràpids, reduint dràsticament la durada dels cicles, però necessita un ajustament PID precís i és susceptible de sobrepassar i de sensibilitat a les pertorbacions. El plat ideal és aquell en què la inèrcia tèrmica s'adapta amb precisió al ritme del procés: prou ràpid per complir els objectius de producció, però prou constant per garantir la fabricació de peces coherents i d'alta-qualitat. Els enginyers poden mesurar la capacitat tèrmica i entendre el seu impacte en la resposta de primer-ordre per triar un plat que assoleixi l'equilibri adequat entre velocitat i estabilitat.