Расчет подходящего давления для охлаждения на основе сжатого воздуха

Question

Расчет подходящего давления для охлаждения на основе сжатого воздуха

temperature cooling

Я немного слышал о людях, которые используют воздушные компрессоры с трубками к резцовой головке и выходными отверстиями там в качестве части охлаждения. Одним из примеров является Berd Air, но, судя по информации, которую я могу собрать, он работает при довольно низких давлениях, когда расширение сжатого воздуха вряд ли приведет к тому, что воздух будет значительно ниже температуры окружающей среды, поэтому он в основном эквивалентен недорогому вентилятору. Действительно, это видео, сравнивающее такую систему с HEVAC, показало, что она довольно неэффективна.

Если кто-то хочет использовать охлаждение сжатым воздухом для попадания на деталь воздуха значительно ниже температуры окружающей среды, какова взаимосвязь между необходимым давлением и перепадом температуры? Я предполагаю, что это можно довольно точно определить с помощью закона идеального газа, но я не понимаю, как определить изменение объема и давления, когда воздух выходит из части системы высокого давления.

@R.. GitHub STOP HELPING ICE, 👍3

Обсуждение

Этот вопрос можно рассматривать как вопрос физики, поскольку он связан с термодинамикой., @0scar

Действительно, в нем пересекаются физика, инженерия и 3d-печать, но контекст во многом последний., @R.. GitHub STOP HELPING ICE

В то время как сжатый воздух выходит холодным, из-за снижения давления воздух в трубопроводе будет комнатной температуры, поэтому небольшие порывы могут охлаждаться не так, как при постоянном потоке из компрессора. Кроме того, холодный воздух по сравнению с воздухом комнатной температуры может не подходить для охлаждения 3D-печати, я думаю, что это вызовет деформацию многих материалов, потому что пластик продолжает сжиматься по мере того, как становится холоднее. Как только вы превысите температуру стекла, у вас не будет практических причин охлаждать его дальше., @ChinchillaWafers

@ChinchillaWafers: "Воздух в строю"? Если вы делаете это, вы ставите клапан TX прямо на головку инструмента как ради потока, так и во избежание поглощения тепла после декомпрессии. Смысл более холодного воздуха заключается не в том, чтобы получить конечный охладитель температуры, а в том, чтобы охладиться быстрее, поскольку скорость охлаждения пропорциональна разнице в температуре. Окружающий воздух при температуре 23 ° C быстро охлаждает материал от его начальной температуры 210 ° C, но к тому времени, когда он достигает Tg, охлаждение намного медленнее. Понижение температуры холодного воздуха почти до 0 ° C (гораздо ниже, вероятно, плохая идея из-за риска замерзания) очень помогло бы., @R.. GitHub STOP HELPING ICE

2 ответа

@*BobT* · Answer 1 · 2021-09-07 03:28-00:00

Возможно, вы думаете о "вихревом охлаждении", которое использует настроенную вихревую трубку для создания потоков горячего и холодного воздуха. В примере Википедии используется 100 SCFM отфильтрованного сжатого воздуха при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм для создания перепада температур 70 °C.

Вот один из них на Amazon, предназначенный для приложений для фрезерования. Вот ещеодин...

@*MStarha* · Answer 2 · 2021-09-07 12:46-00:00

Во-первых, я создал быстрое упрощенное моделирование в Matlab охлаждения от 210°C до 50°C. Вот график, показывающий разницу в температурных кривых во времени. Как уже говорилось, это упрощено, потому что я догадался, что напечатанный фрагмент может нагреваться от 210 градусов до 50 менее чем за 5 секунд при правильном охлаждении до комнатной температуры.

Я использовал это дифференциальное уравнение:

где T-температура, t-время, T_target-целевая температура (температура охлаждающего воздуха), a-константа, которую я настроил в соответствии с указанными выше критериями (a = 0,5).

Как видите, вы экономите около секунды времени охлаждения. Вы говорите, достаточно ли этого. На мой взгляд, это не имеет отношения к стандартной печати.

Вот исходный код Matlab, если вы хотите попробовать поэкспериментировать с ним (он также может работать в GNU Octave, но я его еще не пробовал):

clear;
clc;

a = 0.5;
targetTemp1 = 23;
targetTemp2 = 0;
tempLine = 50;

timeSpan = [0, 5];
x0 = 210;

[t1, y1] = ode45(@odeFcn, timeSpan, x0, 0, a, targetTemp1);
[t2, y2] = ode45(@odeFcn, timeSpan, x0, 0, a, targetTemp2);

figure("Position", [360, 1220, 1200, 800]);
hold on;
plot(t1, y1);
plot(t2, y2);
plot([timeSpan(1), timeSpan(end)], [tempLine, tempLine], "Color", "black", "LineWidth", 2);

grid on;
legend("Taget temperature: " + targetTemp1, "Taget temperature: " + targetTemp2);
xlabel("t[s]");
ylabel("T[\circC]");

function y = odeFcn(t, x, a, target)
    y = -a * (x - target);
end

Тем не менее, вот как я рассчитал необходимое давление.

Константы:

c-удельная теплоемкость воздуха, κ-постоянная Пуассона для воздуха, ρ-плотность воздуха, V_2-объем при атмосферном давлении, я оценил это значение, Δt-разность температур, если предположить, что воздух под давлением имеет комнатную температуру и его необходимо охладить до 0 градусов

Необходимая энергия, слишком охлаждающая воздух по дельте t, задается следующей формулой:

И предполагая, что это адиабатический процесс с идеальным газом, мы можем использовать это уравнение, чтобы найти p1:

предполагая, что V1 задается:

Я рассчитал, что необходимая работа W составляет 0,3 Дж, а давление p1 составляет 148 кПа. Мне это кажется довольно низким, возможно, я где-то ошибся или сделал неверное предположение. Тем не менее, я бы всегда предлагал поэкспериментировать и найти ответ опытным путем, потому что существует слишком много непредвиденных переменных, таких как: влажность воздуха, детали, которые будут поглощать/выделять тепло, направление и скорость воздушного потока, площадь поперечного сечения выпускного отверстия и так далее.

Надеюсь, это поможет.

[Править] Вы можете найти уравнения в википедии здесь и здесь. К сожалению, это на чешском языке, потому что английский вариант не содержит уравнений в этом формате.