ในฐานะซัพพลายเออร์ขวด LNG Dewar การทำความเข้าใจวิธีคำนวณการรั่วไหลของความร้อนของภาชนะบรรจุที่สำคัญเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสูงสุด ในบล็อกนี้ ฉันจะเจาะลึกหลักการทางวิทยาศาสตร์และวิธีการเบื้องหลังการคำนวณความร้อนรั่วของขวด LNG Dewar ซึ่งไม่เพียงช่วยให้คุณมีความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์เหล่านี้ แต่ยังช่วยในการตัดสินใจด้วยข้อมูลเมื่อเป็นเรื่องของการจัดซื้อ
พื้นฐานของขวด LNG Dewar
ขวด LNG Dewar เป็นภาชนะเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อจัดเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ที่อุณหภูมิต่ำมาก โดยทั่วไปจะมีผนังสองชั้น โดยมีสุญญากาศระหว่างผนังด้านในและด้านนอกเพื่อลดการถ่ายเทความร้อน ถังด้านในเก็บ LNG ในขณะที่ถังด้านนอกให้การป้องกันและเป็นฉนวนขวด LNG Dewar
กลไกการถ่ายเทความร้อนในขวด LNG Dewar
การถ่ายเทความร้อนมีกลไกหลักสามประการที่ทำให้เกิดการรั่วไหลของความร้อนในขวด LNG Dewar: การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี
การนำ
การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านวัสดุที่เป็นของแข็ง ในขวด LNG Dewar ความร้อนสามารถดำเนินการได้ผ่านทางส่วนรองรับที่ยึดภาชนะด้านในให้อยู่กับที่ ตลอดจนผ่านท่อหรือข้อต่อใดๆ ที่ทะลุผนังของขวดได้ อัตราการนำความร้อน (Q_conduction) สามารถคำนวณได้โดยใช้กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์:
[Q_{การนำ}=-kA\frac{dT}{dx}]
โดยที่ (k) คือค่าการนำความร้อนของวัสดุ (A) คือพื้นที่หน้าตัดที่ความร้อนไหลผ่าน และ (\frac{dT}{dx}) คือความชันของอุณหภูมิที่พาดผ่านวัสดุ
ตัวอย่างเช่น หากเราพิจารณาแท่งรองรับที่ทำจากสแตนเลส เราจำเป็นต้องทราบค่าการนำความร้อนของสแตนเลส ((k)) พื้นที่หน้าตัดของแท่ง ((A)) และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผนังด้านในและด้านนอกของขวดหารด้วยความยาวของแท่ง ((\frac{dT}{dx}))
การพาความร้อน
การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) แม้ว่าโดยปกติแล้วช่องว่างระหว่างผนังด้านในและด้านนอกของขวด LNG Dewar Flask จะถูกอพยพออกเพื่อลดการพาความร้อน แต่ก็ยังอาจมีโมเลกุลของก๊าซตกค้างอยู่บ้างซึ่งอาจทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนผ่านการพาความร้อนได้ อัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน (Q_convection) สามารถประมาณได้โดยใช้กฎการระบายความร้อนของนิวตัน:
[Q_{การพาความร้อน}=hA(T_{s}-T_{\infty})]
โดยที่ (h) คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (A) คือพื้นที่ผิวของวัตถุ (T_{s}) คืออุณหภูมิพื้นผิว และ (T_{\infty}) คืออุณหภูมิของของไหลโดยรอบ
ในกรณีของขวด LNG Dewar การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนมักจะน้อยมากเนื่องจากมีสภาพแวดล้อมที่เป็นสุญญากาศสูง อย่างไรก็ตาม หากมีการรั่วในสุญญากาศ การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนอาจเพิ่มขึ้นอย่างมาก
การแผ่รังสี
การแผ่รังสีคือการถ่ายเทความร้อนผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า วัตถุทั้งหมดปล่อยรังสีความร้อน และอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี (Q_radiation) ระหว่างสองพื้นผิวสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎ Stefan - Boltzmann:
[Q_{รังสี}=\เอปไซลอน\ซิกมา A(T_{1}^{4}-T_{2}^{4})]
โดยที่ (\เอปไซลอน) คือค่าการแผ่รังสีของพื้นผิว (\sigma) คือค่าคงที่สเตฟาน - โบลต์ซมันน์ ((\sigma = 5.67\times10^{-8}\ W/(m^{2}\cdot K^{4}))) (A) คือพื้นที่ผิว (T_{1}) คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของพื้นผิวที่ร้อนกว่า และ (T_{2}) คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของพื้นผิวที่เย็นกว่า
ในขวด LNG Dewar Flask ถังด้านในจะมีอุณหภูมิต่ำมาก (ประมาณ - 162°C หรือ 111 K) ในขณะที่ถังด้านนอกอยู่ที่อุณหภูมิแวดล้อม (ประมาณ 20°C หรือ 293 K) การแผ่รังสีของพื้นผิวของภาชนะด้านในและด้านนอกมีบทบาทสำคัญในการกำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี
การคำนวณการรั่วไหลของความร้อนทั้งหมด
การรั่วไหลของความร้อนทั้งหมด (Q_total) ในขวด LNG Dewar คือผลรวมของการถ่ายเทความร้อนโดยการนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี:
[Q_{รวม}=Q_{การนำไฟฟ้า}+Q_{การพาความร้อน}+Q_{รังสี}]
ในการคำนวณการรั่วไหลของความร้อนรวมอย่างแม่นยำ เราจำเป็นต้องทราบพารามิเตอร์ต่อไปนี้:
- คุณสมบัติของวัสดุ: ค่าการนำความร้อน ((k)) ของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างขวด เช่น สแตนเลสสำหรับภาชนะและส่วนรองรับ และความเปล่งรังสี ((\epsilon)) ของพื้นผิว
- พารามิเตอร์ทางเรขาคณิต: พื้นที่หน้าตัด ((A)) ของวัสดุนำไฟฟ้า พื้นที่ผิวของภาชนะ และความยาวของเส้นทางนำไฟฟ้า
- ความแตกต่างของอุณหภูมิ: ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผนังด้านในและด้านนอกของขวด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการคำนวณการถ่ายเทความร้อนโดยการนำและการแผ่รังสี
ตัวอย่างการคำนวณ
สมมติว่าเรามีขวด LNG Dewar ที่มีพารามิเตอร์ต่อไปนี้:
- การนำ: แท่งรองรับทำจากเหล็กสเตนเลสที่มีค่าการนำความร้อน (k = 15\ W/(m\cdot K)) พื้นที่หน้าตัด (A_{rod}=0.001\ m^{2}) และความยาว (L = 0.1\ m) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผนังด้านในและด้านนอกคือ (\Delta T=293 - 111=182\ K) จากกฎของฟูริเยร์ การนำความร้อนผ่านแท่งคือ:
[Q_{การนำ}=-kA\frac{\Delta T}{L}=- 15\times0.001\times\frac{182}{0.1}=-27.3\ W]
- การพาความร้อน: สมมติว่าเนื่องจากความดันก๊าซตกค้างเล็กน้อย ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (h = 0.1\ W/(m^{2}\cdot K)) และพื้นที่ผิวของภาชนะด้านใน (A_{ด้านใน}=1\ m^{2}) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวภาชนะด้านในและก๊าซตกค้างคือ (\Delta T = 10\ K) แล้ว,
[Q_{การพาความร้อน}=hA(T_{s}-T_{\infty})=0.1\times1\times10 = 1\ W]
- การแผ่รังสี: ความเปล่งรังสีของพื้นผิวหลอดเลือดด้านในและด้านนอก (\epsilon = 0.1) และพื้นที่ผิวของหลอดเลือดด้านใน (A = 1\ m^{2}) ใช้กฎ Stefan - Boltzmann
[Q_{รังสี}=\เอปไซลอน\ซิกมา A(T_{1}^{4}-T_{2}^{4})=0.1\times5.67\times10^{-8}\times1\times(293^{4}-111^{4})\approx4.2\ W]
การรั่วไหลของความร้อนทั้งหมดคือ (Q_{total}=Q_{conduction}+Q_{convection}+Q_{radiation}=-27.3 + 1+4.2=-22.1\ W)
ความสำคัญของการคำนวณการรั่วไหลของความร้อน
การคำนวณการรั่วไหลของความร้อนของ LNG Dewar Flask อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญด้วยเหตุผลหลายประการ:
- ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์: การรั่วไหลของความร้อนที่ลดลงหมายความว่า LNG สามารถเก็บไว้ได้นานขึ้นโดยไม่มีการระเหยที่มีนัยสำคัญ ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการการเก็บรักษาในระยะยาว
- ความปลอดภัย: การรั่วไหลของความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้การระเหยของ LNG เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจทำให้แรงดันภายในขวดเพิ่มขึ้น สิ่งนี้อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยหากระบบระบายแรงดันไม่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม
- ต้นทุน-ประสิทธิผล: การทำความเข้าใจการรั่วไหลของความร้อนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบขวด ลดการใช้พลังงาน และลดต้นทุนการดำเนินงานในที่สุด
ผลิตภัณฑ์และบริการของเรา
ในฐานะซัพพลายเออร์ชั้นนำของขวด LNG Dewarเรามุ่งมั่นที่จะนำเสนอผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงที่มีการรั่วซึมของความร้อนต่ำ ขวดแก้วของเราได้รับการออกแบบและผลิตโดยใช้เทคโนโลยีและวัสดุใหม่ล่าสุดเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพและความปลอดภัยสูงสุด นอกจากนี้เรายังมีช่วงของภาชนะรับแรงดัน LNG Cryogenicและถัง Cryogenic LNGเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของลูกค้าของเรา
หากคุณสนใจผลิตภัณฑ์ของเราหรือมีคำถามเกี่ยวกับการคำนวณการรั่วไหลของความร้อนหรือการจัดเก็บ LNG โปรดติดต่อเราเพื่อขอการจัดซื้อและหารือเพิ่มเติม เราหวังว่าจะได้ร่วมงานกับคุณเพื่อมอบโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับความต้องการพื้นที่จัดเก็บ LNG ของคุณ
อ้างอิง
- Incropera, FP, และ DeWitt, DP (2002) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์
- โฮลแมน เจพี (2010) การถ่ายเทความร้อน แมคกรอว์ - ฮิลล์