دو صفحه پرس با ظاهر یکسان، یکی از فولاد ابزار و دیگری از آلومینیوم، در شروع شیفت صبح در یک کارخانه سرد می‌نشینند. اپراتور دکمه "گرم کردن" را فشار می دهد. هر دو به دمای عملیاتی مورد نظر می رسند، اما یکی از آنها مقدار قابل توجهی برق بیشتری را در این فرآیند مصرف می کند. تفاوت در کارایی بخاری ها نیست، بلکه در یک ویژگی حرارتی اساسی خود فلز است: ظرفیت گرمایی ویژه آن. ورق فولادی به سادگی اسفنج حریص تری برای انرژی گرمایی است. درکصفحه حرارت ویژه انرژی مواد گرم می شوداین رابطه برای انتخاب تجهیزات پرس کارآمد و کنترل هزینه های عملیاتی ضروری است.

گرمای ویژه چیست؟

تعریف و واحدها

گرمای ویژه مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای یک کیلوگرم ماده به میزان یک درجه سانتیگراد (یا یک کلوین) است. بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم بر کلوین (kJ/kg·K) بیان می شود. ماده ای با گرمای ویژه بالا انرژی بیشتری را برای رسیدن به همان افزایش دما نسبت به ماده ای با گرمای ویژه کم برای همان جرم جذب می کند.

مقادیر معمول در دمای اتاق:

فولاد (کربن یا فولاد ابزار): تقریباً 0.47-0.51 kJ/kg·K

آلومینیوم (آلیاژ 6061 یا 7075): تقریباً 0.90 kJ/kg·K

چدن: تقریباً 0.46 kJ/kg·K

مس: تقریباً 0.38 kJ/kg·K

در حالی که آلومینیوم گرمای ویژه به ازای هر کیلوگرم بالاتر از فولاد دارد، چگالی بسیار کمتر آن (حدود 2700 کیلوگرم بر متر مکعب در مقایسه با 7800 کیلوگرم بر متر مکعب برای فولاد) به این معنی است که برای همان حجم صفحه، صفحه آلومینیومی تنها حدود یک سوم جرم دارد. کل انرژی مورد نیاز برای گرم کردن یک صفحه از سرد به دمای کارکرد حاصلضرب جرم، گرمای مخصوص آن و افزایش دما است.

دقت فنی: وابستگی به دما و عوامل عملی

تلفات حرارتی در حین گرم کردن

انرژی نظری محاسبه شده در بالا عایق کامل و بدون اتلاف گرما برای محیط در طول دوره گرمایش را فرض می کند. در واقع، یک صفحه گرما را از طریق همرفت و تابش از سطوح خود و از طریق هدایت به تکیه گاه های ساختاری از دست می دهد. یک صفحه سنگین تر و با جرم بیشتر برای رسیدن به دما زمان بیشتری می برد، بنابراین در طول دوره گرم شدن طولانی مدت گرمای بیشتری را از دست می دهد. این بیشتر جریمه انرژی در دنیای واقعی یک ماده با گرمای ویژه بالا را افزایش می دهد. برعکس، یک صفحه آلومینیومی سبک وزن سریع‌تر گرم می‌شود، زمان کمتری را در دماهای متوسط ​​می‌گذراند و در نتیجه انرژی کمتری را برای محیط اطراف از دست می‌دهد.

ملاحظات اضافی: هدایت حرارتی

آلومینیوم همچنین دارای رسانایی حرارتی بسیار بالاتری است (حدود 200 W/m·K برای آلومینیوم در مقابل{1}} W/m·K برای فولاد ضد زنگ). این به صفحات آلومینیومی اجازه می‌دهد تا سریع‌تر به تعادل حرارتی برسند و شیب دمایی کمتری در سراسر سطح داشته باشند. ترکیب جرم حرارتی کمتر و رسانایی بالاتر، آلومینیوم را به انتخاب برتر برای کاربردهایی که نیاز به چرخه های گرمایش سریع و کارآمد دارند تبدیل می کند.

مفاهیم انتخاب

زمانی که گرمای ویژه بالا قابل قبول است

یک ماده با گرمای خاص مانند فولاد همیشه یک عیب نیست. در کاربردهایی که صفحه به طور مداوم گرم نگه داشته می شود (24 ساعت شبانه روز، 7 روز هفته)، انرژی گرمایش اولیه فقط یک بار پرداخت می شود. مصرف انرژی در حالت پایدار توسط تلفات حرارتی سطح و کارایی عایق تعیین می شود، نه با حرارت ویژه. صفحات فولادی همچنین سفتی بیشتر، هزینه کمتر به ازای هر کیلوگرم (البته نه در حجم) و مقاومت بهتر در برابر آسیب های مکانیکی را ارائه می دهند. برای پرس هایی که به ندرت چرخه می شوند، جریمه انرژی فولاد ممکن است ناچیز باشد.

وقتی گرمای اختصاصی پایین ضروری است

برای کاربردهایی که شامل چرخه‌های گرمایش و سرمایش مکرر می‌شوند-مانند پرس‌های دسته‌ای، ماشین‌های آزمایش، یا فرم‌دهی حرارتی با واکنش سریع{1}}گرمای ویژه مواد ورق به یک عامل غالب تبدیل می‌شود. آلومینیوم یا سایر آلیاژهای با چگالی کم و گرمای خاص متوسط ​​(مانند آلیاژهای منیزیم) ترجیح داده می شوند. کم مصرف ترین بشقاب، صفحه ای نیست که سریع ترین گرما را می دهد، بلکه آن است که کمترین انرژی را برای رسیدن به آن می نوشد. در تولید با توان بالا، آلومینیوم هزینه مواد بالاتر خود را ظرف چند ماه از طریق قبوض کمتر برق بازپرداخت می کند.

نتیجه گیری: هزینه پنهان جرم حرارتی

گرمای ویژه مواد صفحه یک محرک قدرتمند و پنهان برای صورتحساب انرژی روزانه دستگاه است. یک ماده سبک تر و با ظرفیت گرمایی کمتر مانند آلومینیوم می تواند در طول عمر دستگاه پرس انرژی راه اندازی را ذخیره کند. جرم بالا و گرمای ویژه نسبتاً بالا ورق فولادی با هم ترکیب می‌شوند تا انرژی بیشتری را برای هر چرخه گرم کردن مصرف کنند. برای کاربردهایی که صفحه به طور مکرر گرم و سرد می شود، انتخاب ماده فقط یک تصمیم طراحی مکانیکی نیست-این یک کنترل مستقیم بر هزینه های عملیاتی است. کم مصرف ترین صفحه ای است که کمترین انرژی را برای رسیدن به آنجا مصرف می کند و برای اکثر فرآیندهای چرخه ای، آن ماده آلومینیوم است.