ביצועים גבוהים העשרה צנטריפוגות הם בין המכונות התובעניות ביותר בטכנולוגיה המודרנית, תפעול במהירויות סיבוביות שעולה על 100,000 RPM ביישומים גרעיניים ותעשייתיים רבים.במהירויות אלה, העומס התרמי שנוצר על ידי חיכוך, סרדינמי גרר, וספקיות מוטוריות יכולות במהירות לעלות על סף הפעלה בטוח אם לא מנוהל באופן פעיל.

התפקיד הקריטי של ניהול הירומל ב-Enrichment Centrifuges

כל פיזור של אורניום, ייצור איזוטופ רפואי, או סיווג חלקיקים תעשייתי - מונע חלק גדול של אנרגיית הקלט שלה לתוך חום.

  • (ב) חיכוך:0 (BearingחיכוךFLT:1): גם עם מערכות מגנטיות או גז, מגע חי והפסדים מולקווס לייצר חום משמעותי במהירויות סיבוביות גבוהות.
  • (ב) ⁇ :0) גרור דינמיט (Aeroדינמית גרור את ה- 1:1: פני השטח של הרוטור מרעירים את הגז שמסביב, ויוצרים חימום חיכוך בקנה מידה עם קוביית מהירות הסיבובית.
  • (ב) ,0) אובדן המנורה: אינדוקציה או מנועים מגנטיים קבועים מייצרים חימום נגדי ומדפי.
  • (ב) [ה]: [ה], [ה], [ה],] ב[[המאה ה-20], תהליך ההפרדה עצמו (למשל, דיפוזיה של גזים באמצעות מחסומים) מוסיף עומס תרמי.

עלייה לא מבוקרת הטמפרטורה מובילה לכמה מצבי כשלון.ההתרחבות הארומית יכולה לעוות גיאומטריה רוטטור, גרימת חוסר איזון ורטט קטסטרופלי.טמפרטורות הנושאות הפחתה של חוסר יכולת סיכה ולהאיץ את הבגדים.בתרחישים של העשרה גרעינית, חימום יתר יכול להתפשר על יעילות ההפרדה של ה cascade, ובמקרים קיצוניים, ליצור סיכונים בטיחותיים.

הצנטריפוגות ההעשרה המודרניות פועלות בדרך כלל בחלון טמפרטורה צר, לעתים קרובות בין 40 מעלות צלזיוס ל-80 מעלות צלזיוס בהתאם ליישום.שמירה על החלון תחת עומסים שונים, תנאי הסביבה, והארכה ארוכה דורש שילוב של אסטרטגיות קירור פסיביות ופעילות.

שילוב טכנולוגיות קוליינג עבור להקות מהירות

אדריכלות: Cooling Architectures

קירור נוזלי הפך את הגישה הדומיננטית עבור צנטריפוגות ביצועים גבוהים בגלל התקני העברת החום הגבוהים שלה ויכולת להעביר חום הרחק מן הרקטור מבלי להפריע לסיבוב שלה.חידושים האחרונים להתמקד במערכות סגורות-לופ שמפיץ דיאלקטריות עם תכונות תרמיות מצוינות.קררים טיפוסיים כוללים נוזלי פלואורידיים (למשל, perfluoropolyes) ושמן מבוסס מיוחד שנותר תחת מתח חשמלי גבוה אפילו תחת מוליכים למחצה.

מרכיבים מרכזיים של מערכות קירור נוזליות מודרניות כוללים:

  • (FLT:0Microchannel Exchangers חום להחליף את חום ה- 1FLT: Etched or Supplement-manufactured with הידראוליs מתחת 1 מ"מ להגדיל את שטח פני השטח לנפח יחידה, ומאפשר להחליף חום קומפקטי להיות ממוקם קרוב מאוד לרכבת הרוטבטור.
  • (FLT:0)Spray קירור NozzlesFLT:1: במקום להציף את העקרבה המסתובבת, מטוסי תרסיס ממוקדים מספקים קירור בדיוק כדי לשאת דיור ומחולל קויל הופך, השגת יעילות העברת חום של 10,000-50,000 W/m2K.
  • (FLT:0) יחידות משאבה משולבת-reservoir יחידות FIRLT:1; משאבות Brushless DC עם בקרת מהירות משתנה להתאים את שערי זרימת הדם בהתבסס על משוב טמפרטורה בזמן אמת, צמצום צריכת החשמל במהלך תקופות עומס נמוך תוך שמירה על יכולת מלאה במהלך אירועים תרמיים שיא.

דוגמה בולטת אחת היא השימוש במערך ההעשרה הניסויי:0 (liquid-cooled inductive חימוםpherFLT:1 במתקנים של העשרה ניסיונית, שבו לולאה קרירה עוברת דרך מרכז הרוטור עצמו באמצעות הפיכה של איגודים ריקים (ראה FLT:2U.S המחלקה לאנרגיה דו"ח טכני על קירור מתקדם של צנטריפוגה 3).

שינוי חומרים עבור ההרחבה Thermal Buffering

שינויים בשלב (PCMs) מציעים פתרון פסיבי, נמוך כוח כדי להחליק את הספיציפי טמפרטורה לטווח קצר כי יכול להתרחש במהלך ההפעלה, שינויים עומס פתאומי, או תנודות מסובכות. PCMs סופג חום כפי שהם מתמיסים (חום עקבי של היתוך) ולהפיץ אותו כפי שהם מבססים, יצירת חיץ תרמי שמחזיק את הטמפרטורה של הצנטריפוגה בטווח צר אפילו כאשר מערכת קירור פעילה לא יכולה להגיב מיד.

PCMs נפוץ בשימוש ב-Crifuge ניהול תרמי כוללים:

  • (ב) ויקרא:0) ויקרא ויקרא ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד, ויקרא י"ד, ו[[1924]]
  • (ב) ⁇ 0) ,0 hydratesFLT:1, קיבולת חום גבוהה יותר לנפח יחידה, אך נוטה יותר לגזול ולהפרדה בשלב.
  • (FLT:0) ⁇ מתכת גלקטית 1R) - מכרים נקודתיים נמוכים (למשל, גליום-indium-tin) המציעים מוליכות תרמית גבוהה מאוד חום מאוחר, אם כי הם מוסיפים משקל ודורשים כיבוי זהיר.

אסטרטגיות אינטגרציה שונות. PCMs יכול להיות מוטבע בשכבות מורכבות הציפוי דיור, ארוז לתוך קצף מתכתי שמשמש כיור חום, או משולב במבנה התמיכה הנושא.מחקר מה-FLT:0 International Journal of Heat and Mass TransferFLT:1 הראה כי מערכת ניהול תרמי PCM-augmented יכול להפחית את הטמפרטורות רוטאו על ידי 15-25 מעלות צלזיוס תחת עומסים ללא עלייה של מערכת קירור פיזית.

זרימת אוויר פעילה ו-Vrtex Cooling

למרות קירור נוזלי ו- PCMs שולטים בעיצובים מתקדמים, קירור מבוסס אוויר נשאר רלוונטי עבור בינוני ביצועים ביצועים צנטריפוגות כמו מערכת משלימה.העיצובים מתקדמים ביותר אוויר-אוויר: צינורות 0vortex צינורות FLT 1 או FLT:2Ranque-Hilsch vortexrsFLT: אשר מייצרים זרם קר מ- 50 טיפות אוויר מתאימים לחום, 000 ליטרים של תאים מתאימים לטמפרטורה של תאים מתאימים.

גישה נוספת היא (FLT:0) הסרת מטוס קירור מטוס קירור FLT:1, שבו מטוסי אוויר בשפע גבוהה מכוונים אל החיצוני המסתובב דרך משולש מכוונן בדיוק יחד עם טקסט משטח (למשל, סיכות או דיפרטים), שיטה זו יכולה להשיג יעילות העברת חום של 500-1,000 /2K - דיפאון עבור יישומים רבים של קירור או מורכבות בלתי נסבלת, שבו יש להוסיף מורכבות קירור או קירור לא צפויה.

חומרים מדע חדשנות ב- Heat Dissipation

המונחים:thermal Conductosites

הרוטטור עצמו פועל לעתים קרובות כאחד האלמנט מבני ומוליכים חום.באופן מסורתי עשוי מסגסוגת אלומיניום גבוהה סטריאנט או מרינג פלדה, הרוטורים מודרניים יותר משלבים יותר ויותר תרכובות מתקדמות לשיפור ביצועים תרמיים ללא כוח הקרבה.

  • (FLT:0) קרבון סיבים-reinforced פולימרים (CFRP) 1FLT: cRP רוטטורים הם 60-70% בהיר יותר מגרסאות מתכת, צמצום עומסים ודור חום חיכוך. כאשר לא מוסדר עם סיבי פחמן מבוססי חתונות המציגים מוליכות תרמיות מעל 500 / mK, CFRP יכול לנהל חום מנקודות חמות במהירות, בהשוואה לטמפרטורות מתכת קונבנציונאליות מתחת לטמפרטורות נמוכות יותר.
  • (FLT:0) מרכיבים מבוססי-יהלומים של אבן-קומב 1: פיזור כימי (CVD) ציפויים יהלומים החלים על פני השטח ועל כתבי עת פיר משלבים קשיחות קיצונית עם מוליכות תרמית מעל 2,000 W/mK - גבוה יותר מכל מתכת.זה מאפשר חום להתפשט במהירות מן החיכוך לתוך המתכת הגדולה, שבו קירור פעיל יכול להסיר אותו.
  • (FLT:0) מאטריקס מאטריקס (MMCs)BuildFLT) 1: הוספת שומן סיליקון או חלקיקים יהלומים לאלומיניום או מזחלות נחושת מניבות MMCs עם מוליכות תרמיות בטווח 250-400 W / mK תוך שמירה על יכולת מסנטר טובה והתנגדות עייפות.

חומרים אלה אינם רק ניסיוניים; כמה יצרני צנטריפוגה מסחרית אימצו את קווי ה-CRP של קווי המהירות הגבוהים שלהם, מה שמצביע על ירידה במשקל והטבות תרמיות כיתרונות מרכזיים (ראו FLT:0:0Heraeus Composites מקרה מחקר על חומרים רוטורים של צנטריפוגה FLT:1).

ניהול בין-גזעי

אפילו החומרים הגדולים ביותר הם לא יעילים אם ממשק תרמי בין רכיבים מציעים עמידות גבוהה.חדשנות בחומרי ממשק תרמיים (TIM) סייעה לסגור פער זה:

  • <חזק>הרווחים הארוכים והעברים בהתבסס על ברון ניטריד או סיליקון מלא כסף מספקים תנופה תרמית נמוכה (<0.1 KCM2/W) בעוד אי סדירות משטח מיקרון בקנה מידה.
  • (FLT:0) שינוי TIMsFLT:1 כי רכך בטמפרטורה הפעלה ממלא פערים יותר לחלוטין מאשר פסים מסורתיים, צמצום עמידות ממשק ב-20 עד 40%.
  • (FLT:0)Graphene-reinforced GasketsofphsFLT ( 1:1) מציע הן יכולות לצמצום חום והן להפצת חום, להחליף רכיבים מרובים עם סרט דק אחד.

מערכות מעקב חכמות והתאמה

חיישנים טמפרטורה ובקרת איכות

התקנת מערכת קירור חזקה אינה מספיקה; המערכת חייבת להגיב בחוכמה לשינויים תנאים.העשרה המודרנית משלבת מערך של חיישנים: thermocouples מוטבעים בהחזקת דיור, גלאי טמפרטורה התנגדות (RTDs) על מתפתלים, רמוגרפיה אינפרא אדומה של המקרה המסתובב, ואפילו חיישנים אקוסטיים כי בטמפרטורה של דפוסי רעש.

לוגיקה של בקר משתמשת בנתונים אלה כדי לשנות את עוצמת הקירור.לדוגמה:

  • (FLT:0) ,Proportional-integral-derivative (PID) לולאות ⁇ FLT:1 להתאים את מהירות המשאבה או את RPM כדי לשמור על סטאפ ±0.5 ° C.
  • (FLT:0) שליטה קדימה קדימה של 1LT צופה כי הטמפרטורה עולה על ידי ניטור של האצה הנוכחית והרקטור המנועית, קירור טרום-מאבד לפני הטמפרטורה באמת מטפסת.
  • (FLT:0) Machine LearningeursFLT:1) מאומן על נתונים תפעוליים היסטוריים יכול לחזות התנהגות תרמית תחת פרופילים שונים של עומס, אופטימיזציה של לוח זמנים קירור וצמצום הפסולת באנרגיה ב-15-25%.

קישוריות לאינטרנט של דברים (IoT) מאפשרת ניטור מרחוק וניתוח מבוסס ענן, המאפשר למפעילים לעקוב אחר מגמות תרמיות על פני כל קזק של צנטריפוגות.אזהרות לטמפרטורה בלתי-אטומית עלולות לגרום לעיכובים אוטומטיים או לחזרה של זרימה קרירה כדי למנוע כשלים מתקפלים.

תחזוקה חיזויית Algorithms

הנתונים הארומאליים משמשים גם לתחזוקה חיזויית.על ידי העלאת טמפרטורה, ערכי שיא וזמני קירור, אלגוריתמים יכולים לזהות שינויים עדינים המעידים על לבישת, הגבלות זרימה קרירות, או השפלה. לדוגמה, עלייה של 10% בזמן הנדרש כדי לקרר את הרקטור לאחר שסתום סטנדרטי עשוי לסמן כי משאבה קרירה מאבדת יעילות או כי החלפת חום מופרעת הם מוקדם יותר מאפשר זיהוי מתוכנן מראש.

יישומים בתעשיות

מודרניזציה גרעינית

בהעשרה אורניום, צנטריפוגות גז פועלות בשקדות של מאות עד אלפי מכונות.כל צנטריפוגה חייבת לשמור על טמפרטורה מדויקת כדי להבטיח גורם הפרדה עקבי וטוהר איזוטופים.חוסר איזון בין מאות לאלפים ברחבי ק"ד יכול ליצור זרמים צולבים כי degrade Product Quality.com-במיוחד אלה המשלבים קירור נוזלי עם מפעילי מחשבי-אפשרו לרוץ מהירויות גבוהות יותר של UCR.

רפואה ורפואה

ייצור איזוטופים רפואיים, אשר מפריד בין מערכות רדיו-איזוטופים לאבחון וטיפול בסרטן, דורש דיוק ואמינות קיצוניים.מכונות אלה פועלות לעתים קרובות בתאים חמים מוגנים שבהם הגישה לתחזוקה קשה.מערכות קירור אמינות הדורשות התערבות מינימלית - כגון לולאות נוזליות חתומות עם משאבות מחוסמות - הן חיוניות.השימוש במחוביות מחוסמות יהלום ו-CRPR סייע להרחיב את התחזוקה מכמה חודשים של מודלים רפואיים.

תהליכי הפרדה תעשייתיים

צנטריפוגות מהירות גבוהות משמשות גם בעיבוד כימי, טיהור דלק ביולוגי, ו- nanoparticle סיווג. ביישומים אלה, נוזלים תהליך עצמם יכול להיות קורוזי או מולקווס, שינוי העומס התרמי ללא מרשם.

כיוונים עתידיים בניהול התרמומלי

מערכות היברידיות Integrating Multiple Technologies

שום טכנולוגיה קירור בודדת לא יכולה לענות על כל התרחישים התפעוליים.המערכות העתידיות היעילות ביותר יהיו היברידיות: לולאה נוזלית לדחיית בסיס, PCM מכניסה לשחיקה חולפת, ו- vortex או קירור סילון עבור תוספי מיקום. חוקרים במרכז של MIT לאנרגיה גרעינית מתקדמת מפתחים "מודול ניהולי נוסף" המשלב קירור נוזלי מיקרו-מפוסק עם מחסנים מ-מפוסקים בתותחנים ביחידת אוויר המיועדת עבור קומפקטית בודדת של קומפקטית של קומפקטית אוויר קומפקטית קומפקטית-מסלולאריבית.

ייצור תוספת של השתלות

הדפסה תלת מימדית מאפשרת ייצור של חילופי חום עם גיאוגרפיות פנימיות מורכבות כי יהיה בלתי אפשרי מכונה קונבנציונלית - ערוצים רפורמיים המשתרעים סביב רוטרים, מבנים ליטיצ'ים עבור שטח פני השטח גבוה, ונפיחות כיתה כדי להתאים את הכשל.תוספתן-מניאוו-מניטור נחושת ואלומיניום עבור יישומים צנטריפוגה הם כעת בטיפוס, עם ביצועים תרמיים של 30–5 שמקבילנו.

2-Phase Cooling and HeatPipes

עבור פלוקס חום גבוה מאוד (מעל 500 W / ס"מ2), קירור דו-פזה הופך אטרקטיבי. צינורות חום ותאים אדפור משובצים בדיור המסתובב יכול להעביר חום עם הבדלים טמפרטורה קטנה מאוד באמצעות החום המאוחר של נוזל עבודה. Loop תנורים חום, אשר מפריד בין evaporator וקטעי condenser, מתאימים במיוחד לצנטריפוגות כי הם יכולים לפעול נגד כובד ראש ניסויים הראות חום מוקדם כדי לשפר את הציפוי קירור מוקדם יותר.

מסקנה

פתרונות קירור חדשניים מאפשרים דור חדש של צנטריפוגות העשרה הפועלות מהר יותר, יותר, ובאופן אמין יותר מקודמיהם.ההתקדמות המשולבת באדריכלות קירור נוזלית, חומרי שינוי שלב, משווקים בעלי ביצועים גבוהים, אלגוריתמים חכמים בקרה, וייצור תוספתי התוספים דחפו את הגבולות של ניהול תרמי הרבה מעבר למה שהיה אפשרי לפני עשור.