کمتری از افزایش دما را در پوستهی خارجی (که سرامیک ها را احاطه کرده است) شاهد هستیم؛ بنابراین هر چه که بتوانیم میزان تماس بیشتری را با بین سرامیک ها و پوسته های داخلی و خارجی فراهم نماییم، مقاومت حرارتی کاهش می یابد و در نتیجه دمای سیستم کمتر خواهد بود.
با کاهش دمای سیستم امکان افزایش توان مجموعهی TWT فراهم خواهد شد.
کانتور دما در پوسته ی خارجی در شکل ‏578 نمایش داده است.
شکل ‏578 کانتور دما در پوسته ی خارجی در حالت 14
دمای سطح بیرونی پوسته خارجی تنها حدود 5 درجه سانتیگراد کمتر از دمای ماکزیمم کلکتور، که در سطح داخلی پوسته داخلی قرار دارد، میباشد، این امر به دلیل مقاومت حرارتی کم در سرامیکهای برلیا میباشد.
نمودار های توزیع دما بر روی خطوط 1 و 3 در شکل ‏579 نمایش داده شده است.
شکل ‏579 توزیع دما بر روی خطوط 1 و 3 در حالت 14
5-4-15-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه آلومینیومی برابر با 70 درجه سانتیگراد (حالت 15)
در این حالت دمای آب در مبدل حرارتی به گونه ای تغییر کرده است که دمای کف پایه به 70 درجه سانتیگراد رسیده است.
کانتور دما در صفحه ی عمود بر محور کلکتور در شکل ‏580 نمایش داده شده است.
شکل ‏580 کانتور دما در صفحه ی عمود بر محور کلکتور در حالت 15
در این قسمت مشاهده میشود که دمای ماکزیمم به حدود 415 درجه کلوین رسیده است.
کانتور دما در صفحه ی طولی در شکل ‏581 نمایش داده شده است.
شکل ‏581 کانتور دما در صفحه ی طولی در حالت 15
کانتور دما بر روی صفحه ی مورب انتهایی کلکتور(محل برخورد الکترونها) در شکل ‏582 نمایش داده شده است.
شکل ‏582 کانتور دما بر روی صفحه ی مورب انتهایی کلکتور در حالت 15
علت مورب در نظر گرفتن سطح انتهایی کلکتور، زبادتر نمودن آن در مقایسه با حالت غیرمورب میباشد. همچنین اختلاف دمای 15 درجه، در سطح انتهایی کلکتور مشاهده میشود.
کانتور دما در پوست ی خارجی در شکل ‏583 نمایش داده شده است.
شکل ‏583 کانتور دما در پوست ی خارجی در حالت 15
در این حالت دمای سطح بیرونی پوسته خارجی به دمای ماکزیمم کلکتور نزدیک است، این امر به دلیل ضریب هدایت حرارتی بالا در برلیا میباشد؛ لذا در حالتی که از سرامیک برلیا در کلکتور استفاده شود میتوان با اندازهگیری دما در سطح بیرونی پوسته خارجی دمای ماکزیمم سیستم را به طور تقریبی بدست آورد.
همچنین نمودار های توزیع دما بر روی خطوط 1 و 2 و 3 در ذیل نمایش داده شده است.
شکل ‏584 توزیع دما در خط شماره 1 در حالت 15
شکل ‏585 توزیع دما در خط شماره 2 (خط عمودی) در حالت 15
شکل ‏586 توزیع دما در خط شماره 3 در حالت 15
با توجه به نمودار توزیع دما در خط شماره 1 مشاهده میشود که نمودار در شکستگی آخر که در مقدار محور افقی 7 تا 8 قرار گرفته است، نسبت به حالات مشابهی که از آلومینا استفاده شده است دارای سیب کمتری میباشد. این امر به دلیل کم بودن اختلاف دمای ماکزیمم کلکتور و دمای سطح خارجی پوسته بیرونی میباشد.
5-4-16-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه 70 درجه سانتیگراد با حرارت ورودی میانگین (حالت 16)
در این حالت حرارت ورودی بر روی قسمت داخلی پوسته ی داخلی را به طور یکنواختی بر روی سطح آن پخش میکنیم تا بتوان تاثیرات آن را بررسی و با حالت واقعی مقایسه نمود.
کانتور دما در صفحه طولی و عرضی در شکل ‏587 و شکل ‏588 نمایش داده شده است.
شکل ‏587 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 16
شکل ‏588 کانتور دما در صفحه طولی در حالت 16
در این حالت دمای ماکزیمم به حدود 413 درجه کلوین رسیده است که نسبت به حالت غیر یکنواخت، حدود 2.6 درجه کاهش را نشان میدهد پس از بین حالات توان ورودی میانگین، این حالت در مقایسه با حالاتی که آلومینا و آلومینیوم نیترید به عنوان سرامیک ایزوله کننده استفاده شده، دارای خطای کمتری است، علت این امر ضریب هدایت حرارتی بالاتر در برلیا میباشد که سبب توزیع دمای یکنوخت تری در حالت توان غیر میانگین شده و کانتور دمای حالت غیر میانگین را به کانتور دمای حالت میانگین نزدیک میکند. شایان ذکر است که در حالت در نظر گرفتن توزیع توان میانگین، توان در تمامی سطح داخلی پوسته داخلی کلکتور قرار داده نشده است بلکه تنها بر قسمتهایی که توسط الکترونها بمباران میشوند به طور میانگین قرار داده شده است.
همچنین کانتور دما در حالت نمایی 2 گانه به شکل ‏589 است.
شکل ‏589نمای دوگانه در حالت 16
پیدا کردن محل هایی که دما ماکزیمم شده است در خنک سازی سیستم کمک شایانی میکند، زیرا با دانستن این نقاط، میتوان روش های خنک سازی را بر روی این قسمتها متمرکز نمود.
از جمله راهکارهای موثر برای کاهش دما آن است که مبدل حرارتی را در دورتادور کلکتور قرار دهیم تا دمای سطوح پیرامون کلکتور را ثابت نگاه داریم.
این امر سبب میشود که حرارت به طور یکسانی از اطراف خارج شود و باعث تعدیل در افزایش دمای قسمتهای مختلف خواهد شد.
نمودارهای توزیع دما بر روی خط 3(که قبلا معرفی شده است) در شکل ‏590 نمایش داده شده است.
شکل ‏590 توزیع دما در خط شماره 3 (مورب) در حالت 16
کانتور دمای حجمی در شکل ‏591 نمایش داده شده است.
شکل ‏591کانتور دمای حجمی در حالت 16
ازمزایای کانتور دمای حجمی آنست که امکان مقایسه ی تمان قسمتهای کلکتور را در کنار هم فراهم مینماید و با مقایسه ی دما در قسمتهای مهم، میتوان محل هایی که امکان خرابی سیستم به علت دمای بالا وجود دارد را شناسایی نمود.
در این قسمت نیز قسمت بالایی کلکتور دارای دمای ماکزیمم است. زیرا از مبدل حرارتی که در قسمت زیرین کلکتور قرار دارد فاصلهی بیشتری دارد.
همچنین در این حالت، دمای بالای پوسته خارجی میتواد با تقریب خوبی دمای ماکزیمم سیستم که درون پوسته داخلی رخ میدهد را بیان نماید.
5-4-17-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه برابر 90 درجه سانتیگراد (حالت 17)
در این قسمت دمای آب در مبدل حرارتی به گونه ای افزایش یافته است که دمای کف پایه به 90 درجه سانتیگراد رسیده است.
کانتور دما بر روی صفحات طولی و عرضی در شکل ‏592 و شکل ‏593 نمایش داده شده اند.
شکل ‏592 کانتور دما بر صفحه طولی در حالت 17
دمای ماکزیمم به حدود 437 درجه کلوین رسیده است.
شکل ‏593 کانتور دما بر صفحه طولی در حالت 17
دمای ماکزیمم سیستم در مقایسه با حالتی که برای سرامیک ها آلومینیوم نیترید یا آلومینا در نظر گرفته بودیم، به ترتیب 5 و 54 درجه سانتیگراد کاهش پیدا کرده است.
در شکل ‏594 کانتور دما بر روی صفحات عرضی در کنار هم نمایش داده شده است.
شکل ‏594 کانتور دما بر روی صفحات عرضی در حالت 17
با توجه به کانتورهای دمای فوق، مشاهده میشود که دمای کلکتور در قسمتهای ابتدایی آن که الکترونی برخورد نمیکند کم بوده و با شروع برخوردها افزایش یافته است و به 436 کلوین رسیده است.
کانتور دما در نمای بالا در شکل ‏595 نمایش داده شده است.
شکل ‏595 کانتور دما در نمای بالا در حالت 17
همچنین نمودار توزیع دما در راستای طولی سرامیک بالایی در شکل ‏596 نمایش داده شده است.
شکل ‏596 نمودار توزیع دما در راستای طولی سرامیک بالایی در حالت 17
حداکثر دمای سرامیک برابر با 432 کلوین بدست آمده است و حداقل آن حدود 386 کلوین میباشد لذا اختلاف دمای 46 درجهای در راستای طولی سرامیک بالایی خواهیم داشت.
5-4-18-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه برابر 50 درجه سانتیگراد و بدون سیستم دیپرس( حالت 18)
در صورتی که سیستم دیپرس قطع شود الکترونها شتاب گرفته و انرژی جنبشی آنها افزایش
خواهد یافت، لذا در هنگام برخورد به کلکتور مقدار و محل توان حاصل از برخورد الکترونها تغییر خواهد کرد. بر اساس تحلیل صورت گرفته در نرم افزار CST مقدار توان در حالت بدون دیپرس به 1845 وات خواهد رسید.
در این حالت کانتور دما در صفحات طولی و عرضی در شکل ‏597 و شکل ‏598 نمایش داده شدهاند.
شکل ‏597 کانتور دما در صفحه عرضی در حالت 18
شکل ‏598 کانتور دما در صفحه طولی بدون دیپرس در حالت 18
با توجه به شکل 5-99، محل برخورد الکترونها در قسمت انتهایی کلکتور تمرکز بیشتری یافته است و ماکزیمم دما به حدود 500 کلوین رسیده است.
علت تمرکز یافتن محل برخورد الکترونها در انتهای کلکتور آن است که سیستم دیپرس به علت پتانسیل معکوسی که ایجاد میکند، نیرویی در خلاف جهت حرکت به الکترونها وارد مینماید و لذا هم سرعت آنها را کاهش میدهد و هم سبب واگرایی الکترونها میشود.
5-4-19-جنس سرامیک از برلیا با دمای سطح زیرین پایه برابر 50 درجه سانتیگراد و بدون سیستم دیپرس در حالت زمانمند (حالت 19)
هدایت حرارت نوعی انتقال انرژی است که به واسطه گرادیان دما در یک ماده صورت می گیرد و مکانیزم فیزیکی آن را فعالیت تصادفی اتمی یا مولکولی تشکیل می دهد. تئوری کلاسیک هدایت حرارتی که اغلب از آن به عنوان قانون هدایت فوریه نام می برند، شار حرارتی را مستقیما با گرادیان دما به صورت خطی مرتبط می سازد. قانون فوریه یک قانون پدیده شناسی است، یعنی از پدیدههای تجربی و نه از مفاهیم اولیه استخراج می گردد. بر مبنای مدل فوریه، حرارت در محیط هادی با سرعت بینهایت منتشر می شود. علیرغم اینکه مدل هدایت فوریه یک فیزیک غیر واقعی را در بر دارد؛ یعنی پخش ناگهانی انرژی حرارتی، اما تقریب بسیار خوبی است برای اکثر کاربردهای مهندسی در زندگی روزمره]18[. این قانون در مواردی شبیه انتقال حرارت گذرا در بازه های زمانی خیلی کوچک، انتقال گرما در دماهای خیلی پایین نزدیک صفر مطلق، در فرآیند پروسس مواد به کمک لیزر، تابش موجهای الکترومغناطیسی با شدت بالا و انتقال حرارت در ساختارهایی در ابعاد میکرون نتایج غیر قابل قبولی را ارایه می نماید.
معادله انرژی در حالت غیر فوریهای به صورت رابطه 1-5 است.
1-5
تنها تفاوت معادل 1-5 با معادله کلاسیک هدایت حرارتی جمله اول آن است اگر مقادیرτدرمادهای خیلی کوچک باشد به طوریکه بتوان از این ترم صرف نظر کرد، فرمول هدایت غیرفوریه ای به همان فرم کلاسیک تبدیل می شود. مقادیرτ در مواد مختلف متفاوت است و برای مواد همگن در محدوده 8-10 تا 12-10 است پس در چنین مواردی حل فوریه صحیح است و در مواد غیر همگنی مانند شن نزدیک به 20 ثانیه میرسد که حل غیر فوریه در چنین مواردی کاربرد دارد]18[. با توجه به همگن بودن مواد تشکیل دهنده کلکتور و همچنین برقرار نبودن هیچ یک از شرایط لزوم برقراری حل غیر فوریه، که به آنها اشاره شد، لذا حل فوریه برای حل نمودن زمانمند کلکتور از دقت قابل قبولی برخوردار است.
همانطور که بیان شد بر اساس مدلسازی انجام گرفته در نرمافزار CST، در صورتی که سیستم دیپرس قطع شود، میزان حرارت تولید شده در کلکتور از 900 وات به 1845 وات خواهد رسید. هدف از حل زمانمند، بدست آوردن توزیع دمای کلکتور در حالت بدون دیپرس و همچنین بدست آوردن مدت زمانی است که بعد از قطع شدن دیپرس، کلکتور به حالت پایا میرسد. شرایط زمانی اولیه در حالت استفاده از سرامیک برلیا، با دمای پایه خنککننده 50 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شد حل زمانمند برای 35 ثانیه پس از قطع شدن سیستم دیپرس انجام شده است و نتایج ذیل حاصل گردیده است.
شرایط اولیه یا زمان صفر در شکل ‏599 نمایش داده شده است.
شکل ‏599 شرایط اولیه
کانتور دما در زمانهای مختلف در شکل ‏5100 تا شکل ‏5103 نمایش داده شده است.
شکل ‏5100 کانتور دما در صفحه طولی در 3.2 ثانیه
شکل ‏5101 کانتور دما در

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید