thermodynamics-and-heat-transfer
יעילותם של מסטיקי מתכת נוזליים ביישומים עתיריים גבוהים
Table of Contents
התפקיד המתפתח של מתכת נוזלית Coolants בניהול קיצוני
בעוד תעשיות דוחפות את הגבולות של טמפרטורות הפעלה בדור כוח, הנעה, ייצור, נוזל קירור קונבנציונלי כגון מים, שמנים, וקרירים אורגניים סינתטיים נתקלים יותר ויותר במגבלות פיזיות בסיסיות.מחצבים נוזליים מציעים אלטרנטיבה נפרדת. על ידי מינוף מוליכות תרמית גבוהה, טווח טמפרטורה נוזלי רחב, ולחץ נמוך של מתכות מלוטשות מסוימות וסגסוגת, מהנדסים יכולים לעצב מערכות ניהול תרמיות המסוגלות של טיפול חום, אך לא רק דפוס חום הוא רק דפוס חום.
קירור מתכת נוזלי הם נוזלים ממונדסים שנשאר בשלב הנוזל בטמפרטורות גבוהות, בדרך כלל פועל בין 100 מעלות צלזיוס ולמעלה מ 1000 מעלות צלזיוס בהתאם לקומפוזיציה ⁇ .שילוב ייחודי שלהם של תכונות תרמופיסיקליות מאפשר הסרת חום יעילה בגיאומטריה קומפקטית, מה שהופך אותם הכרחי עבור כור נויטרונים מהירים, מערכות כוח סולארי מרוכז, ואלקטרוניקה הדור הבא, זה בוחן את הביצועים הבסיסיים שלהם, אתגרים מעשיים בהווה ומעבדים של המחקר שלהם הם מרחיבים את המעבדים.
עקרונות פיזיים: העברת מתכת נוזלית
יעילותו של כל קירור נקבעת על ידי יכולתו לספוג אנרגיה תרמית, להעביר אותה ממקור החום, ולשחרר אותו בכיור חום. מתכות נוזליות להצטיין בכל שלושת השלבים בשל התנהגות מולקולרית שונה לחלוטין בהשוואה לנוזלים מולקולריים.
מוליכות תרמית וחום תחבורה מכניזם
בנוזלים קונבנציונליים כמו מים או שמן, חום מועבר בעיקר באמצעות התנגשויות מולקולריות וזרמים קונפדרציה תרמית של מים ב-20 מעלות צלזיוס הוא בערך 0.6 W / mK. מתכות נוזליות, לעומת זאת, חום באמצעות תנועת אלקטרון מלוטשת דומה למתכות מוצקות.התרומה אלקטרונית זו מעלה התנהגות תרמית באופן דרמטי.
מעבר להתנהלות, מתכות נוזליות גם להציג אפקטיביות חום מעולה להעביר חום.מספר Prandtl עבור מתכות נוזלי הוא נמוך מאוד (על סדר 0.01 עד 0.1), המציין כי דיפוזיה תרמית שולטת על יתר דיפוזיה מומנטום דיפוזיה.זה מוביל לשכבות גבול דק וכתוצאה מכך שיעור גבוה של העברת חום בממשק מוצק-מנקה.
טווח טמפרטורה ורמות שלב
היתרון הקריטי של מתכות נוזליות הוא חלון הטמפרטורה הנוזלי הרחב שלהם מים מוגבל ל 0-100 מעלות צלזיוס בלחץ אטמוספירי, ואפילו כור מים מחוסן לפעול רק ל-350 מעלות צלזיוס. הרבה קירור אורגניים מתחילים לרדת מעל 300 מעלות צלזיוס, עם זאת, יכול להישאר יציב על פני מאות מעלות צלזיוס, אשר מאפשר טמפרטורות גבוהות יותר מ- 18.75 מעלות צלזיוס, ו-88 ° C באטמוספירה, בתנאי שכמעט קיבולת של 18 מעלות צלזיוס גבוהה יותר מ-75 מעלות צלזיוס מאפשרת בטווח של 18.
לחץ נמוך ומערכת לחץ
מערכות קירור מבוססות מים בטמפרטורות גבוהות דורשות שחיקה משמעותית כדי למנוע רתיחה.לדוגמה, כור מים מחוסן פועל בסביבות 150 אטמוספירות כדי לשמור מים בשלב הנוזל ב 300-350 מעלות צלזיוס יש לחץ נמוך מאוד בטמפרטורות התפעוליות שלהם. Sodium ב 600 מעלות צלזיוס יש גם לחץ ריק של כ-0.01 אטמוספרה.זה מבטל את הצורך בלחץ כבד, מכיל גם נפיחות נמוכה של כלי נפיחות נמוכה, עקב ירידה משמעותית של צינורות קירור.
סוגים של מתכת נוזלית קירור נכסים
לא כל מתכות נוזליות מתאימים כמו מגניבים.בחירה תלויה בנקודה נמסת, תכונות תרמיות, תגובתיות כימיות, קליטת סלקציה של נייטרון (ליישומים גרעיניים), ועלות.הקררים המלומדים והפורסים ביותר הם נתרן, עופרת-bismuth eutectic, ועופרת טהורה.
סויום וסויום-פונטסיום Alloy
נתרן הוא המתכת הנוזלית הנפוצה ביותר בשימוש נרחב קירור באנרגיה גרעינית, במיוחד בכורים מהירים של המגדל נמוך, נקודת ההמיסה הנמוכה שלה, מוליכות תרמית מעולה, וצפיפות מתונה להפוך אותו אידיאלי עבור לולאות מונעות משאבה. Sodium-potassiumסגסוגת (NaK), שנותרה נוזלי בטמפרטורת החדר, משמש ביישומי הנדסה מיוחדים ומחקר.
ראשי > ראשי תיבות של Lead-Bismuth Eutectic and Pure Lead
(עופרת-bismuth eutectic (LBE) זכה לתשומת לב עבור מערכות מונעות מאיץ וכורים מודולריים קטנים. היתרונות העיקריים שלה הם אינטונציה כימית עם אוויר ומים, נקודה מרתיחה גבוהה, וכלכלת נויטרונים טובה. צוללות מסוג אלפא הרוסיות בהצלחה להשתמש LBE-cooled חמצן. טהור מציע אפילו גבוה יותר וקליטת נויטרונים נמוכה יותר, אבל יש לו נקודה תחמוצת יותר של פחמן Cross פחות זהיר יותר מאשר קומפקטית יותר מאשר טרה-Fross) הוא פחות חזק יותר מאשר קומפקטית חומרים מ-Frosscross-R.
עוד מועמדים מתכת וכלולים
גליום, נתרן, ו ⁇ tin משמשים יישומים מיוחדים קירור אלקטרוניקה שבו רעילות נמוכה ונוזלי זמן החדר הם הרצויים. ⁇ מבוסס גליום אלה, לפעמים נקרא "חומרי ממשק תרמי מתכת נוזליים נוזליים נוזליים", אינם מתאימים להעברה חום בטמפרטורה גבוהה אך להפגין את הגמישות של הטכנולוגיה.
אתגרים הנדסיים והתאמה חומרית
פריסת קירור מתכת נוזלי מציגה מערך ייחודי של אתגרים הנדסיים שיש לטפל בהם באמצעות בחירת חומרים זהירים, עיצוב מערכת ופרוטוקולים תפעוליים.
קורוזיה והובלת המונים
בטמפרטורות גבוהות, מתכות נוזליות יכולות להתמוסס או להגיב עם חומרי המכילה. קורנוזיה במערכות מתכת נוזליות אינה רק חמצון משטח, אלא לעתים קרובות כרוכה בפירוק של אלמנטים מסגסוגת של פלדה מבנית.
- ריכוז חמצן כדי ליצור שכבות תחמוצת מגן על פני השטח פלדה
- שימוש בפלדות גבוהות של chromium או ציפויים עשירים באלומיניום
- הגבלת הטמפרטורה התפעולית להישאר מתחת לסף ההאצה של קורוזיה
- צנרת מלכוד קר להסיר מוצרי קורוזיה מהמפיץ
מטבוליזם ו Fluid Dynamics
מתכות נוזליות הן נוזלות צפופות.עופרת יש צפיפות של כ 10,600 ק"ג / m3, יותר מעשר פעמים זה של מים.זה מטיל דרישות כוח גבוהות משאבה ויוצר כוחות אינרטיה גדולים במקרה של נסיעות משאבה או הפסקות צינורות.FLT:0 משאבות אלקטרו-מגנטיות, אשר משתמשות בכוחות מגנטיים כדי להעביר את הנוזלים המוליכים ללא חלקים נעים, הם לעתים קרובות מועדפים.
חקירה ובדיקה
ממטר זרימת האמנה, חיישני רמה, וטרנפורים לחץ לעתים קרובות אינם פועלים באופן אמין בסביבות מתכת נוזלי עקב הטמפרטורה הגבוהה, מוליכות חשמלית, ואופייה של המכשור המיוחד נדרש:
- זרם מגנטי קבוע למדידת מהירות
- חיישנים נוכחיים של Eddy for Level זיהוי
- חיישנים נטולי חיישנים של חיישנים עבור גילוי גז
- חיישניים אקוסטיים לגילוי דליפות
האופי של מתכות נוזליות גם מבטל בדיקה חזותית ככלי אבחון, הצבת הסתמכות רבה יותר על מדידות עקיפות ומודלים חיזוי.
פרוטוקולים בטיחותיים ופרוטוקולים
תגובת הכימיקל של מתכות אלקאלי דורשת הנדסה קפדנית של בטיחות.ת תגובות מים נתרן לייצר מימן ודלקת נתרן סיבתית הידרוקס, המציגה פיצוצים והסיכונים קורוזיה.
- Inert מכסה גז (argon) על פני השטח החופשי הקריר
- כלי שיט כפולים או משמרים עבור חלקים קריטיים
- מערכות זיהוי הידרוגן עבור זיהוי מוקדם של הדלפה
- טנקי ד"ר ומערכת הסרת חום עקיצות
קירור מבוסס מוביל הם פחות מסוכנים מבחינה כימית אבל נוכח חששות רעילות מתכת כבדות במהלך תחזוקה ופירוק. Strict contamination Control ופרוטוקולים הגנה על אנשים הם הכרחיים.
יישומים ברחבי תעשיות טמפרטורות גבוהות
קירור מתכת נוזלי מצאו את היישומים הבולטים ביותר שלהם באנרגיה גרעינית, אבל השימוש שלהם מתרחב לתוך חלל, אלקטרוניקה, עיבוד תעשייתי.
תגובה גרעינית: ספקטרום מהיר וטמפרטורות גבוהות
היישום העיקרי של קירור מתכת נוזלי נשאר נפיחות גרעינית, במיוחד בכורים נויטרונים מהירים. כורים מהירים מנוולים (SFRs) הופעלו בהצלחה במספר מדינות, כולל ארצות הברית (דחיסות כירורגית Breeder Reactor II), צרפת (Phénix ו Superphénix), רוסיה (BN-600 ו- BN), ו- MRVIUMFD) מאפשרת ייצור חשמל גבוה (R) ו-R) ו-R.
כורים מהירים מובילים (LFRs) הם אלטרנטיבה מתפתחת, עם מספר עיצובים תחת פיתוח יישומים מודולריים ומיקרולוגיים קטנים.האימפריות הכימית של להוביל עם מים מבטלים את הסיכון של תגובות נתרן מים, פוטנציאל לפשט את מערכת הקירור משנית.עם זאת, נקודת ההיתוך הגבוהה יותר של להוביל דורש מערכות טרום חימום עבור סטארט-אפ ותחזוקה.
כוח השמש
מערכות אנרגיה סולארית ריכוזיות (CSP) משתמשות מראות כדי להתמקד באור השמש על המקלט, ומייצרות חום עתיר גבוה לנהוג טורבינות. מתכות נוזלי נחקרות כנוזלי העברת חום עבור הדור הבא של צמחי CSP הפועלים מעל 700°C.FLT:0Sodium ו NaK נבדקו במקלטי שמש, ולהוביל-bismuth ectic הוא שיקולים עבור מערכות אחסון תרמיות יותר, לעומת נפח חום יעיל יותר, 000.
אווירי ו Hypersonics
כלי רכב חלליים היפרוזיניים מייצרים עומסי חום קיצוניים במהלך החזרה אטמוספירית או טיסה מהירה מתמשכת.לולאות מתכת נוזליות באמצעות NaK או ⁇ מבוסס גליום יכול לפעול בוואקום של החלל, שבו מערכות מבוססות מים קונבנציונליות יקפאו או רותחת.לחץ ה- Vapor הנמוך של מתכות נוזליות מבטל את הסיכון של גזים שעלולים לסווג אופטיים רגישים או כלי רכב הם חקר חום.
מכשירים חשמליים וכוח
התעשייה המוליכים למחצה מתקרבת לגבולות האוויר והקירור הנוזלי למכשירים בעלי עוצמה גבוהה כגון חומרים דו קוטביים דו קוטביים (IGBTs) בכלי רכב חשמליים ומשתנים של מדינת מוצקה (FLT:0Gallium-based Liquid Metal Metal Interface) להפחית את ההתנגדות בין שבבים לבין כיור חום, שיפור שולי טמפרטורה של 1FLT: יותר מתקדמות לשימוש שואבת מתכות נוזליות לכדי להורדת לחץ דם (Ric) של תאים חשמליים (Ricrecarrererererererererereative) של נוזל (Ricial) של נוזל) של סגסוגת מתכת מבוזרת יותר) של סגסוגת מתכת (Ricows) של סגסוגת של סגסוגת מתכתית מתכת גבוהה יותר) הוא מגובה של סגסוגת מתכת גבוהה יותר) של קיבולת מתכת גבוהה יותר של סגסוגת מתכת גבוהה יותר של קיבולת מתכת גבוהה יותר של קיבולת מתכת (R.
Metallurgy and Materials Processing
בהגדרות תעשייתיות, מתכות נוזליות משמשות לשקיפה, טיפול חום, ותהליכי הליהוק.מתכת נוזלית מספקת יותר אחידה וקירור מהיר בהשוואה לנפט או מים, צמצום עיוות ושיפור תכונות מכניות.קיבולת החום הגבוהה ו מוליכות תרמית של מתכות נוזליות מאפשרות שליטה מדויקת של שיעורי קירור בקוים עוצרי נשימה ועיבוד פסים רצופים.
תגיות: Metal Cooling Systems
מהנדסים המעצבים מערכת קירור מתכת נוזלית חייבים לטפל במספר היבטים ייחודיים שונים באופן יסודי ממערכות נוזל קונבנציונליות.
ניהול Freeze-Thaw Management
רוב קירור מתכת נוזלי מהדהד בטמפרטורות מעל ambient.זה מציג את הסיכון של הקפאת במהלך ההשבתה, תחזוקה או תנאי תאונה.FLT:0 מערכות חייבות להיות מתוכננות עם חימום, מבודד, וקפאה סובלנית גיאמטים כדי למנוע דחיסה בבטחה שעלולה לגרום קרע צינור עקב התרחבות נפח.
הנדסת גז ו-Void Formation
זרמי משטח חינם וטעינה המשאבה יכולים להטיס גז למתכת נוזלית, להרכיב בועות כי להפחית את העברת החום, לגרום לאי יציבות זרימה, וייתכן מצטבר באזורים ממריצים. כוננים דיכוי וורטקס, טנקים מבולבלים, ועיצוב זהיר בlet הם הכרחיים כדי למזער את ההנעה של גז. בכורים גרעיניים, בועות יכול גם להשפיע על תנופת רחם ולשלוט.
מתח תרמי ושומן
מוליכות תרמית גבוהה של מתכות נוזלי מוביל לשינויים מהירים בטמפרטורות במהלך transients. Components כגון ראשי כלי שיט כור, צינורות החלפת חום, ו piping מרפקים לחוות זעזועים תרמיים הגורמים ללחץ מכני.FLT:0 קודים עיצוב עבור מערכות מתכת נוזלית משלבים ניתוח עייפות מפורט, וחומרים נבחרים עבור ההתנגדות שלהם לרכיבה תרמית.
גבולות מחקר וכיוונים עתידיים
מחקרים מתקדמים נועדו להתגבר על החסמים הנותרים לאימוץ רחב יותר של קירור מתכת נוזלי, במיוחד ביישומים לא-גרפיים.
חומרים המכילים
פיתוח של פיזור תחמוצת (ODS) פלדה, ⁇ סגסוגת ריבונית, ציפוי קרמיקה מציעה את הפוטנציאל להרחיב את טמפרטורות התפעול מעבר לגבולות הנוכחיים תוך התנגדות קורוזיה.FLT:0Aluminum-rich ציפויים עשירים על פני השטח פלדה צורה יציבה של אל2O3 שכבות מגן מפני פירוק בקורירות מבוססות מוביל בטמפרטורות עד 700 מעלות צלזיוס.
מערכות קירור היברידיות
שילוב של קירור מתכת נוזלי עם טכנולוגיות אחרות של העברת חום עשוי להניב ביצועים אופטימליים.לדוגמה, לולאה מתכת נוזלית בשילוב עם מערכת המרת מחזור CO2 קריטי CO2 Brayton יכול להשיג יעילות תרמית גבוהה יותר מאשר מחזורי דירוג קיטור בטמפרטורות ביניים.
ייצור תוספתי עבור מתכת נוזלית
טכניקות הדפסה תלת-ממדיות נחקרות כדי לייצר חילופי חום וזרימה מעברים עם גיאוגרפיות פנימיות מורכבות אופטימיזציה לזרימת מתכת נוזלית.FLT:0Additive הייצור מאפשר לנפיחות, ערוצי קירור תואמים, וחיישנים משולבים שלא ניתן לייצר על ידי מכונאים קונבנציונליים.FLT:1 זה יכול להפחית את העלות והמשקל של מערכות מתכת נוזלי עבור יישומים אווירו ואלקטרוניקה.
מתכת מתכת מתכת וחיסכון באנרגיה
מעבר לקירור, מתכות נוזליות נחקרות לאחסון אנרגיה בקנה מידה רשת בסוללות מתכת נוזליות.מכשירים אלה משתמשים באלקטרודות מתכתיות מלוטש מלח אלקטרוליטים כדי להשיג חיי מחזור ארוכים ועלות נמוכה. בעוד נבדלים מיישומים מגניבים, החומרים מדע וטכניקות טיפול לחלוק קרקע משותפת עם מערכות קירור.
שיקולים כלכליים והיסטוריים
אימוץ של קירור מתכת נוזלי מושפע מגורמים מעבר לביצועים טכניים.העלות של הקריר עצמו משתנה באופן נרחב: נתרן הוא זול, בעוד גליום ואלומיניום יקרים בשל ייצור עולמי מוגבל.FLT:0 עבור כור גרעיני בקנה מידה גדול, העלות של מלאי נתרן הוא חלק קטן של עלות הון כוללת, אבל עבור מערכת קירור קומפקטי, העלות הקרנית עשויה לשלוט מסגרת מגנטית גדולה עבור התקנים גרעיניים פחות, אך ורק עבור מערכות מגנטיות מבוזרות, אך ורק עבור מערכות הגנה תעשייתיות פחות מפותחות, אך ורק עבור אלקטרוניקה תעשייתיות, אך ורק עבור אלקטרוניקה תעשייתיות, אך ורק עבור אלקטרוניקה תעשייתיות, אך ורק עבור אלקטרוניקה מתפתחת.
שיקולי מחזור חיים כוללים אנרגיה ייצור מגניב, טיפול בדרישות הכשרה, וסילוק חיים או מחזור. Sodium ניתן לנטרל ו disposed של תחמוצת נתרן, בעוד קירורים המבוססים על מוביל חייב להיות מנוהל כמו פסולת מסוכנת. Recycling ומעבד טכנולוגיות נמצאים בפיתוח כדי להפחית את ההשפעה הסביבתית ואת העלות החומרית.
מסקנה
קירור מתכתי נוזלי מייצג טכנולוגיה בוגרת אך מתפתחת עדיין לניהול עומסים תרמיים קיצוניים.שילוב ייחודי של מוליכות תרמית גבוהה, טווח טמפרטורה נוזלי רחב, ולחץ נמוך אדפור מאפשר עיצובים מערכת שאינם אפשריים עם נוזלים קונבנציונליים. כורים מהירים סונומיום-קולקועים הוכיחו עשרות שנים של פעולה אמינה, בעוד קירור מבוסס מוביל צובר קרקע עבור המאפיינים הכימיים שלהם.
האתגרים של קורוזיה, פעילות גופנית, וניהול מקפיא הם מובן היטב ו מטופלים באמצעות שיטות הנדסיות מבוססות.המשך מחקר לחומרים מכילים מתקדמים, עיצובי מערכת היברידית, וייצור תוספת ייצור יהיה להרחיב את היכולות ולהקטין את עלויות של טכנולוגיית קירור נוזלי.עבור מהנדסים ממונעים עם תכנון מערכות אשר חייב לפעול באופן אמין יותר בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס או גלי חום מעל 100 / 2, מתכת מציעה קירור סביר יותר ויותר להיות פתרון מרכזי של זמן הולך וגדלה.