Kaip 316 nerūdijančio plieno apvalkalo sienelės storis veikia kritinį šilumos srautą ir perdegimo riziką panardintuose elektriniuose panardinamuosiuose šildytuvuose, skirtuose verdančiam vandeniui?

Proceso inžinieriams, kuriantiems elektrinius panardinamuosius šildytuvus verdančio vandens reikmėms (pvz., elektriniams virduliams, garo generatoriams ir pramoniniams katilams), kritinio šilumos srauto reiškiniai yra pagrindinė šildytuvo veikimo riba. Kai šilumos srautas iš 316 nerūdijančio plieno apvalkalo į aplinkinį vandenį viršija slenkstinę vertę, virimo režimas pereina nuo virimo branduolyje iki virimo plėvele. Plėvelės virimo metu garai sudaro vientisą sluoksnį apvalkalo paviršiuje ir šilumos perdavimo koeficientas smarkiai sumažėja taip, kad apvalkalo temperatūra greitai pakyla. Šis reiškinys, vadinamas perdegimu, gali per kelias sekundes pakelti apvalkalo temperatūrą šimtais laipsnių, sukeldamas varžos laido oksidaciją, MgO izoliacijos gedimą arba apvalkalo plyšimą. 316 apvalkalo sienelės storis lemia kritinio šilumos srauto dydį ir šiluminės reakcijos laiką prasidėjus plėvelės virimui. Šiame darbe vertinamas ryšys tarp apvalkalo sienelės storio ir perdegimo rizikos bei pateikiami atrankos kriterijai verdančiam vandeniui esant dideliam šilumos srautui.

Kritinio šilumos srauto ir perdegimo 316 apvalkaluose fizika
Branduolio susidarymo vietos paviršiuje (316 apvalkalo) yra vietos, kur susidaro garų burbuliukai. Burbulai atsiskiria ir kyla per skystį, efektyviai pašalindami šilumą. Branduoliniam vandens virimui šilumos perdavimo koeficientas būtų nuo 5000 iki 50000 W/m2.K. Tai priklauso nuo paviršiaus būklės ir temperatūros skirtumo. Didėjant šilumos srautui, burbulų susidarymo dažnis ir tankis didėja. Esant kritiniam šilumos srautui, garų burbuliukai susilieja, sudarydami ištisinę garų dangą ant apvalkalo paviršiaus. Garų dangos šilumos laidumas yra apie 20 kartų mažesnis nei skysto vandens, todėl žymiai padidėja šiluminė varža. Tam pačiam šilumos srautui reikia padidinti apvalkalo paviršiaus temperatūrą, tačiau garų plėvelės storis taip pat didėja didėjant temperatūrai, todėl susidaro savaime išsilaikantis izoliacinis sluoksnis. 316 apvalkalui prisotintame 100 laipsnių vandenyje kritinis šilumos srautas paprastai yra 1000–1500 kW/m² (100–150 W/cm²). Tai daug daugiau nei pramoninių panardinamųjų šildytuvų, kurių galia yra 5–30 W/cm2, veikimo diapazonas. Tačiau maži karštieji taškai, paviršiaus užterštumas ar srauto sutrikimai gali sumažinti vietinį kritinį šilumos srautą iki maždaug 50–80 W/cm2. 50 % karšto taško faktoriaus šildytuvas, kurio galia 20 W/cm2, gali viršyti vietinį kritinį šilumos srautą. Kai vienoje apvalkalo dalyje prasideda plėvelės virimas, temperatūra labai greitai pakyla ir garų plėvelė gali padengti visą paviršių.

Kaip keičiasi sienos storis, atsiranda perdegimas
Kai 316 apvalkalas pasiekia plėvelės virimą, šilumos perdavimo koeficientas sumažėja nuo maždaug 10 000 W/m2·K iki maždaug 500 W/m2·K. Esant pastoviam vatų tankiui 20 W/cm 2 (200 000 W/m 2 ), apvalkalo ir reikalingo vandens temperatūrų skirtumas padidėja nuo 20 C, kai verda branduolys, iki 400 C, kai virinama plėvele. Tokiu būdu apvalkalo paviršiaus temperatūra pakyla nuo 120 laipsnių iki maždaug 500 laipsnių. Šis temperatūros kilimas yra veiksmingai iš karto, palyginti su apvalkalo termine laiko konstanta. Svarbus rūpestis yra tai, ar vidinė varžos laido temperatūra pasieks leistiną lygį – dažniausiai 800 laipsnių – anksčiau nei operatorius ar valdymo sistema atpažins būklę ir sumažins galią? Vielos temperatūra yra apvalkalo vidinio paviršiaus temperatūra ir temperatūros kritimas per MgO izoliaciją ir bet kokie tarpai tarp apvalkalo vidinio paviršiaus. Plonasienių 0,8–1,0 mm storio -sienių apvalkalų vielos temperatūra plėvelės virimo metu gali pasiekti 900–1 000 laipsnių per 5–10 sekundžių, todėl greitai oksiduojasi ir sugenda. Storo (2,0-2,5 mm) apvalkalo šiluminė masė sugeria šilumą pirmojo plėvelės užvirimo metu, uždelsdama laido temperatūros kilimą 20-40 sekundžių. Dėl šio delsimo temperatūros jutiklis arba šiluminis išjungimas suteikia daugiau laiko reaguoti. Tačiau storesnis apvalkalas taip pat sulaiko daugiau šilumos, todėl kai jis įkaista, atjungus maitinimą užtrunka ilgiau atvėsti. Galutinis rezultatas yra toks, kad storasieniai apvalkalai yra labiau tolerantiški trumpalaikiams plėvelės virimo pokyčiams, bet yra labiau pažeisti, jei ekskursija yra ilgalaikė.

Paviršiaus modifikavimas, siekiant padidinti kritinį šilumos srautą
Paviršiaus mikrostruktūra ir drėkinamumas – pagrindiniai veiksniai, įtakojantys kritinį 316 apvalkalo šilumos srautą. Lygus poliruotas paviršius turi mažesnį kritinį šilumos srautą nei gruoblėtas arba akytas paviršius. Taip yra dėl mažiau branduolio susidarymo vietų. Įprasta mažesnio nei 1,2 mm storio apvalkalų paviršiaus apdaila, naudojant šveitimo procedūrą, yra 0,4–0,8 mikrono Ra. Didesnių nei 1,8 mm storių sienelių apvalkalų paviršius gali būti šiurkštesnis dėl įvairių gamybos procedūrų, kurių paviršius yra 1,0-2,0 mikrono Ra. Šiurkštesnis paviršius gali padidinti kritinį šilumos srautą 20–30 % dėl padidėjusių branduolių susidarymo vietų. Virimo metu storasieniai apvalkalai suteikia dvigubą pranašumą, būtent, jie turi didesnę šiluminę masę, kad atitolintų perdegimo žalą, o jų paprastai šiurkštesnis paviršius padidina perdegimo slenkstį. Toliau pateiktoje lentelėje pateikiami rekomenduojami sienelių storiai 316 apvalkalų verdančiame vandenyje pagal darbinį vatų tankį ir vandens kokybę.

Vatų tankis Vandens kokybė Rekomenduojamas minimalus sienelės storis 316 Rekomenduojamas maksimalus sienelės storis 316 Kritinis šilumos srauto ribos apsaugos nuo perdegimo mechanizmas
iki 15 W/cm2Švarus, mažai kietųjų dalelių 0,8 mm 1,6 mm 5 – 8× Plonasiena Gerai; maža rizika 15 – 25 W/cm² Švarus, mažai kietųjų dalelių 1,2 mm 2,0 mm 3 – 5× Vidutinis storis suteikia šiluminę masę
25–35 W/cm² Švari, mažai kietųjų dalelių 1,6 mm 2,5 mm 2–3 × Stora sienelė reikalinga perdegimui
3 – 5× Storesnė sienelė Karštos sritys dėl apnašų Kietas vanduo, nuosėdų susidarymo potencialas 1,2 mm 2,0 mm Iki 15 W/cm²
15 – 25 W/cm² Kietas vanduo, nuosėdų susidarymo potencialas 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Reikalinga stora sienelė; reikalingas periodiškas nukalkinimas
Bet koks vatų tankis De{0}}mineralizuotas vanduo 1,0 mm 1,6 mm Kintamasis De-mineralizuotas vanduo turi mažesnį kritinį šilumos srautą; vengti didelio vatų tankio
316 nerūdijantis plienas paprastai nerekomenduojamas naudoti daugiau nei 25 W/cm² verdančiame vandenyje, neatsižvelgiant į sienelės storį. Kritinio šilumos srauto riba yra per maža, todėl bet kokia trumpalaikė situacija, pvz., vandens lygio kritimas, slėgio pokytis ar paviršiaus užterštumas, gali sukelti perdegimą. Tokiais atvejais inžinieriai gali ištirti Incoloy 825 arba apvalkalo šildytuvo su įterptomis termoporomis ir aktyviosios galios reguliavimą naudojimą.

Dizaino metodai, skirti užkirsti kelią plonų{0}}sienių apvalkalų perdegimui
Trys konstrukciniai sprendimai gali sumažinti perdegimo riziką, kai verdančiam vandeniui ruošti reikia naudoti plonasienę 316 sluoksnį, kurio storis < 1,2 mm, paprastai siekiant greito terminio atsako. Pats pirmasis ir svarbiausias dalykas yra sukurti perteklinę temperatūros matavimo sistemą. Greitą plėvelės virimo temperatūros kilimą galima pajusti termopora, prispausta prie apvalkalo paviršiaus, arba varžos temperatūros detektoriumi, įdėtu į MgO per 1-2 sekundes, suaktyvinant elektros energijos tiekimo nutraukimą prieš pažeidžiant laidą. Antrasis būdas yra veikti su fiksuotu galios ribotuvu, kuris riboja vatų tankį, kad jis neviršytų 80% apskaičiuoto kritinio šilumos srauto, atsižvelgiant į vandens kokybę. Tai gali apriboti demineralizuoto vandens veikimą iki 40–50 W/cm², kuris vis dar yra didelis, bet suteikia šiek tiek buferio. Trečias būdas yra pagerinti vandens cirkuliaciją apvalkalo paviršiuje. Kritinis priverstinės konvekcijos virimo šilumos srautas gali būti tris kartus didesnis nei verdant baseine. Saugų veikimo ribą galima padidinti nuo 100 W/cm 2 iki 300 W/cm 2 naudojant cirkuliacinį siurblį arba maišytuvą. Jei ši taktika netaikoma, storasienis apvalkalas yra lengviausias ir patikimiausias būdas išvengti perdegimo verdančiame vandenyje. Storos sienos šiluminis efektyvumas yra priimtinas dėl saugumo ir patikimumo pranašumų.