חישוב הספק ועיצוב תרמי - קבלת המספרים הנכונים עבור אידוי חנקן נוזלי
אחת הטעויות הנפוצות ביותר בציון מחממי מחסניות לאידוי חנקן נוזלי היא התמקדות אך ורק בדרישת ההספק-יציבה תוך התעלמות מתנאי המעבר המתרחשים במהלך ההפעלה ושיא הביקוש. התוצאה היא מערכת שעובדת בצורה מושלמת על הנייר אך נכשלת בפועל, אם על ידי אי עמידה בדרישות זרימה או על ידי השמדת תנורי חימום באמצעות צפיפות הספק מופרזת.
החישוב הבסיסי לאידוי חנקן נוזלי הוא פשוט. אידוי של 10 ק"ג לשעה של חנקן נוזלי וחימום הגז שנוצר ל-20 מעלות צלזיוס דורש כ-600 וואט של כניסה תרמית. נתון זה מסביר את חום האידוי הסמוי, כ-200 קילו-ג'אול לקילוגרם, בתוספת החום ההגיוני הנדרש כדי לחמם את הגז לטמפרטורה הסופית.
אבל הדרישות של-מצב יציב מספרות רק חלק מהסיפור. הפעלה ממצב קר, או תגובה לביקוש גבוה זמני, עשויה לדרוש פי שניים עד שלושה מכמות הכוח הזו. מחמם המחסנית חייב להיות בגודל כדי להתמודד עם השיאים הללו מבלי להיכנס למשטר העברת חום בעייתי. זה המקום שבו צפיפות ההספק, הנמדדת בוואטים לסנטימטר רבוע של שטח פנים המחמם, הופכת לפרמטר עיצובי קריטי.
תהליך העברת החום ממחמם מחסניות לחנקן נוזלי כולל הרתחה. בשטף חום נמוך, רתיחה גרעינית מספקת העברת חום יעילה עם עליית טמפרטורה מתונה בלבד על פני המחמם. ככל ששטף החום עולה, הרתיחה עוברת תחילה לרתיחה במעבר ולאחר מכן לרתיחה של הסרט. בהרתחת הסרט, נוצר סרט אדים בין משטח המחמם לנוזל, מבודד את פני השטח וגורם לטמפרטורת המחמם לעלות בצורה דרמטית. ברגע שמתחילה רתיחה של הסרט, טמפרטורת פני המחמם יכולה לעלות במאות מעלות בשניות, מה שמוביל לכישלון מהיר.
שטף החום המרבי להרתחה יציבה של חנקן נוזלי הוא 10 עד 20 וואט לסנטימטר רבוע, תלוי במצב פני השטח ובכיוון. מחממי מחסניות לשירות חנקן פועלים בדרך כלל ב-5 עד 10 וואט לסנטימטר רבוע כדי לשמור על מרווח בטוח מתחת לגבול זה. לשם השוואה, מחממי מחסניות תעשייתיים סטנדרטיים פועלים לרוב בעוצמה של 20 עד 40 וואט לסנטימטר רבוע. ביישומי טמפרטורת סביבה, צפיפויות גבוהות יותר אלו מקובלות, אך בטמפרטורות קריוגניות, אפקט גוף הקירור האגרסיבי דורש דירוג צפיפות הספק שמרני.
במינוס 30 מעלות צלזיוס, התנאים דורשים לעתים קרובות צפיפות של 50 עד 60 וואט לסנטימטר רבוע פשוט כדי להתגבר על נסיגת החום הקבועה מהסביבה הקפואה. צפיפות הספק גבוהה יותר זו מפעילה לחץ תרמי יותר על חוט ההתנגדות הפנימי, כאשר הטמפרטורות יכולות לעלות על 800 מעלות צלזיוס במקומות מסוימים אפילו בזמן שהמעטפת החיצונית נאבקת להגיע לטמפרטורת התהליך הרצויה. המהנדסים חייבים לנתח בקפידה את העומס התרמי, איכות הבידוד וזמן החימום המותר כדי למצוא את האיזון הנכון בין תגובה מהירה לחימום לבין אמינות-לטווח ארוך.
סידורי חימום מרובי-אזורים יכולים לשפר הן את הביצועים והן את האמינות במערכות אידוי חנקן נוזלי. אזור ראשון הפועל בשטף חום גבוה יותר הופך נוזל לגז, בעוד שאזורים הבאים בשטף נמוך יותר מחממים את הגז לטמפרטורת היעד. שלב זה מונע את תנודות הטמפרטורה המתרחשות בעת חימום זרימה דו-פאזית באזור יחיד. בקרת אזורים מספקת גם יתירות. אם אזור אחד נכשל, המערכת יכולה להמשיך לפעול בקיבולת מופחתת.
יעילות תהליך האידוי תלויה גם בבידוד תרמי. מערכות מבודדות גרוע דורשות הרבה יותר כוח כדי להגיע לאותה תוצאה. ובכן,-מערכות מתוכננות עשויות לדרוש 0.25 עד 0.30 קילוואט-שעות של אנרגיה כדי לאדות ולחמם קילוגרם אחד של חנקן ל-20 מעלות צלזיוס, בעוד שמערכות מתוכננות בצורה גרועה עשויות להזדקק ל-0.40 עד 0.50 קילוואט-שעה לק"ג.
בעת הגדרת גודל של מחממי מחסניות לאידוי חנקן נוזלי, העיצוב חייב לאזן את הספק הכולל, צפיפות ההספק, הממדים הפיזיים והמאפיינים התרמיים של המערכת הסובבת. מחמם עם הספק הכולל הנכון אך צפיפות הספק מופרזת ייכשל מהרתחה של הסרט והתחממות יתר. מחמם עם צפיפות ההספק הנכונה אך הספק כולל לא מספיק לא יעמוד בדרישות התהליך. קבלת המספרים הנכונים דורשת ניתוח תרמי קפדני והבנה מעמיקה של תנאי ההפעלה, לא רק מפרטי קטלוג.
