Aflútreikningur og hitauppstreymi - Að fá tölurnar réttar fyrir uppgufun fljótandi köfnunarefnis
Ein algengustu mistökin við að tilgreina skothylkihitara fyrir uppgufun fljótandi köfnunarefnis er að einblína eingöngu á stöðuga-aflþörf á meðan hunsað er skammvinnt ástand sem verður við ræsingu og hámarkseftirspurn. Niðurstaðan er kerfi sem virkar fullkomlega á pappír en mistekst í reynd, annað hvort með því að uppfylla ekki flæðiskröfur eða með því að eyðileggja ofna með of miklum aflþéttleika.
Grunnútreikningur fyrir uppgufun fljótandi köfnunarefnis er einfaldur. Til að gufa upp 10 kíló á klukkustund af fljótandi köfnunarefni og hita gasið sem myndast í 20 gráður á Celsíus þarf um það bil 600 vött af hitauppstreymi. Þessi tala gerir grein fyrir dulda uppgufunarhitanum, um það bil 200 kílójúl á hvert kíló, auk skynsamlegan hita sem þarf til að hita gasið upp í lokahitastig.
En kröfur um stöðuga-stöðu segja aðeins hluta af sögunni. Að byrja upp úr köldu ástandi, eða bregðast við tímabundinni mikilli eftirspurn, gæti þurft tvisvar til þrisvar sinnum þessa orku. Hylkishitarinn verður að vera í stærð til að takast á við þessa toppa án þess að fara inn í vandræðalegt hitaflutningskerfi. Þetta er þar sem aflþéttleiki, mældur í vöttum á hvern fersentimetra af yfirborði hitari, verður mikilvæg hönnunarbreyta.
Hitaflutningsferlið frá rörlykjuhitara yfir í fljótandi köfnunarefni felur í sér suðu. Við lágt hitaflæði veitir kjarnasuðu skilvirkan varmaflutning með aðeins hóflegri hitahækkun á yfirborði hitara. Þegar hitaflæðið eykst fer suðan fyrst yfir í umskiptasuðu og síðan í filmusuðu. Við kvikmyndasuðu myndast gufufilma milli yfirborðs hitarisins og vökvans, sem einangrar yfirborðið og veldur því að hitastigið hækkar verulega. Þegar filmusuður byrjar getur yfirborðshiti hitari hækkað hundruð gráður á sekúndum, sem leiðir til hraðrar bilunar.
Hámarks hitaflæði fyrir stöðuga kjarnasuðu á fljótandi köfnunarefni er um það bil 10 til 20 vött á fersentimetra, allt eftir yfirborðsástandi og stefnu. Hylkishitarar fyrir köfnunarefnisþjónustu virka venjulega á 5 til 10 vöttum á fersentimetra til að halda öruggri framlegð undir þessum mörkum. Til samanburðar virka venjulegar iðnaðarhylkjahitarar oft á 20 til 40 vöttum á fersentimetra. Í notkun umhverfishita er þessi hærri þéttleiki viðunandi, en við frosthitastig krefjast árásargjarn hitastigsáhrif íhaldssamt aflþéttleikaeinkunn.
Við mínus 30 gráður á Celsíus krefjast aðstæður oft þéttleika á bilinu 50 til 60 vött á fersentimetra einfaldlega til að vinna bug á stöðugri hitaupptöku frá frosnu umhverfinu. Þessi meiri aflþéttleiki setur meira varmaálag á innri viðnámsvír, þar sem hitastig getur farið yfir 800 gráður á Celsíus á sumum stöðum, jafnvel á meðan ytri slíðurinn á í erfiðleikum með að ná æskilegu ferlishitastigi. Verkfræðingar verða að greina varmaálag, einangrunargæði og leyfðan hitunartíma vandlega til að finna rétta jafnvægið á milli skjótrar hitunarviðbragðs og langtímaáreiðanleika.
Fjöl-hitunarfyrirkomulag getur bætt bæði afköst og áreiðanleika í uppgufunarkerfum fyrir fljótandi köfnunarefni. Fyrsta svæði sem starfar við hærra varmaflæði breytir vökva í gas, en síðari svæði með lægra flæði hitar gasið að markhitastigi. Þessi stigun kemur í veg fyrir hitasveiflur sem verða þegar hituð er tveggja-fasa flæði á einu svæði. Svæðisstýring veitir einnig offramboð. Ef eitt svæði bilar getur kerfið haldið áfram að starfa með minni afkastagetu.
Skilvirkni uppgufunarferlisins fer einnig eftir hitaeinangrun. Illa einangruð kerfi þurfa verulega meira afl til að ná sama árangri. Vel-hönnuð kerfi gætu þurft 0,25 til 0,30 kílóvatt-stundir af orku til að gufa upp og hita eitt kíló af köfnunarefni í 20 gráður á Celsíus, en illa hönnuð kerfi gætu þurft 0,40 til 0,50 kílóvattstundir- á hvert kíló.
Þegar hitahylki er stillt í stærð fyrir uppgufun fljótandi köfnunarefnis verður hönnunin að halda jafnvægi á heildarafl, aflþéttleika, eðlismál og hitaeiginleika kerfisins í kring. Hitari með rétt heildarafl en óhóflegan aflþéttleika mun bila vegna suðu á filmu og ofhitnun. Hitari með réttan aflþéttleika en ófullnægjandi heildarafl mun ekki uppfylla kröfur um ferli. Til að fá tölurnar réttar þarf nákvæma hitagreiningu og ítarlegan skilning á rekstrarskilyrðum, ekki bara vörulistaforskriftum.
