Kaip 316 nerūdijančio plieno apvalkalo sienelės storis keičia didžiausią leistiną vatų tankį elektra šildomuose proceso induose?

Koreliacija tarp apvalkalo sienelės storio ir paviršiaus vatų tankio retai mokoma kaip kombinuota projektavimo koncepcija procesų inžinieriams, atsakingiems už elektrinių panardinamųjų šildytuvų projektavimą koroziniams cheminiams tirpalams. Atvirkščiai, sienelės storis dažnai nustatomas pagal slėgio apribojimo nykščio taisyklę, o vatų tankis paimamas iš skirtingų diagramų, priklausančių nuo skysčio tipo ir temperatūros. Dėl to taikomas dalinis metodas, dėl kurio gaunamos per konservatyvios specifikacijos (per -didelio dydžio šildytuvai su per dideliu paviršiaus plotu) arba ankstyvi gedimai dėl vidinio laido perkaitimo. Pačios 316 nerūdijančio plieno apvalkalo šiluminė varža yra trūkstama grandis. Kadangi kiekvienas sienelės storio milimetras trukdo šilumos perdavimui iš vidinės varžos laido į proceso skystį, dėl to paties vatų tankio, kuris yra visiškai priimtinas plonasienei apvalkalui, storasienės konstrukcijos gali greitai suirti. Šiame straipsnyje pateikiamas kiekybinis vatų tankio sumažinimo, atsižvelgiant į 316 apvalkalo sienelės storio funkciją, pagrindas ir suteikiama galimybė inžinieriams nurodyti norimos galios ir numatomo tarnavimo laiko šildymo elementus.

316 apvalkalo šiluminė varža kaip galios tankį ribojantis veiksnys
Ribinį leistiną elektrinio kaitinimo elemento vatų tankį praktiškai apibrėžia vidinio nikelio -chromo atsparumo laido temperatūra. Laidas turi būti laikomas žemiau oksidacijos slenksčio, kuris paprastai yra nuo 800 laipsnių iki 900 laipsnių nuolatiniam veikimui, priklausomai nuo lydinio sudėties, o aplink esanti magnio oksido izoliacija turi išlaikyti savo dielektrinį stiprumą, kuris pradeda mažėti maždaug 450 laipsnių. Atsparumo laidas ir šildoma terpė turi tris nuoseklias šilumines varžas. Šios varžos yra MgO izoliacinis sluoksnis, 316 nerūdijančio plieno apvalkalo sienelė ir skysčio ribinis sluoksnis apvalkalo išorėje. Esant mažam vatų tankiui, švarūs, mažo -klampumo skysčiai, kurių srautas nedidelis, dažnai turi dominuojantį skysčio ribinio sluoksnio pasipriešinimą. Tačiau esant didesniam vatų tankiui arba mažiau palankioms skysčio sąlygoms, apvalkalo sienelės atsparumas tampa svarbesnis. Gautas 316 apvalkalo šilumos laidumas yra maždaug 15 W/m·K esant 100 laipsnių ir apie 18 W/m·K esant 400 laipsnių. Toks mažas laidumas reiškia apie 0,0001 m 2 K/W šiluminę varžą ploto vienetui 1,5 mm storio sienai. Ši vertė atrodo maža, tačiau temperatūros kritimas virš apvalkalo sienelės yra šis pasipriešinimas, padaugintas iš šilumos srauto. Esant 10 W/cm² (100 000 W/m²), 1,5 mm 316 apvalkalo temperatūra nuo vidinio iki išorinio paviršiaus skirsis apie 10 laipsnių. Ta pati siena esant 20 W/cm2 nukrenta 20 laipsnių. Kritimas esant 30 W/cm^{2} yra 30^{\\circ}C. Tokie skaičiai nėra nereikšmingi, kai vidinis laidas jau veikia beveik maksimaliai leistinai temperatūrai.

Storesniems apvalkalams reikia sumažinti vatų tankį – kiekybiškai.
Esant tam tikrai proceso temperatūrai ir skysčio sąlygoms, padidėjus apvalkalo sienelės storiui, reikia atitinkamai sumažinti vatų tankį, kad būtų išlaikyta tokia pati vidinė laido temperatūra. Esant nedideliam storio diapazonui, jungtis yra maždaug tiesinė. Apsvarstykite 316 apvalkalą, kurio sienelės storis 1,0 mm, sėkmingai veikiantį esant 15 W/cm² 90 laipsnių vandens vonioje, kai vidinė laido temperatūra yra 700 laipsnių. Bendras temperatūros skirtumas tarp laido ir vandens yra 610 laipsnių. Šis kritimas yra maždaug 15 laipsnių apvalkalo sienelėje, apie 100 laipsnių MgO izoliacijoje ir apie 495 laipsnių skysčio ribiniame sluoksnyje. Kai apvalkalo sienelės storis padvigubinamas iki 2,0 mm, temperatūrų skirtumas visoje sienoje yra apie 30 laipsnių, esant tam pačiam šilumos srautui. Bendras temperatūros kritimas turi būti 610 laipsnių, kad vidinė laido temperatūra būtų 700 laipsnių. MgO kritimas yra gana pastovus, o skysčio ribinio sluoksnio kritimą lemia proceso parametrai. Vienintelis kintamasis yra šilumos srautas. Apvalkalo sienelės kritimas grįžta iki 15 laipsnių ir atkuriama pradinė laido temperatūra, sumažinus vatų tankį nuo 15 W/cm 2 iki maždaug 13,5 W/cm 2 . Tai yra 10 % sumažinimas, kai sienelės storis padidėja 1,0 mm. Agresyvesniam padidėjimui nuo 1,0 mm iki 2,5 mm reikalingas sumažinimas yra apie 18%. Skaičiavimai atlikti esant pastovioms skysčio savybėms. Tiesą sakant, storesni apvalkalai taip pat veikia skysčio ribinį sluoksnį, sumažindami išorinį skersmenį tam tikram vidiniam skersmeniui. Tačiau dominuojantis efektas vis tiek yra didesnė metalinės sienos elektrinė varža.

Sienų storio įtakos šildytuvo tarnavimo laikui eksperimentinis patikrinimas
Empirinis teorinio nuvertėjimo ryšio patvirtinimas gaunamas kontroliuojant 316 uždengtų panardinamųjų šildytuvų pagreitinto tarnavimo laiką. Tyrimo metu identiški šildytuvai, kurių sienelių storis 1,2 mm, 1,6 mm ir 2,0 mm, buvo eksploatuojami esant pastoviam 12 W/cm2 vatų tankiui 95 laipsnių cirkuliaciniame vandens kontūre. Visi šildytuvai buvo pagaminti naudojant identišką vidinės varžos vielos lydinį, MgO tankinimo tankį ir gamybos procedūrą. Vidutinis 1,2 mm skersmens šildytuvų sugedimo laikas buvo 18 000 valandų, gedimas apibrėžiamas kaip atvira varžos laido grandinė arba izoliacijos varža, mažesnė nei 1 megohm. 1,6 mm šildytuvai sugedo vidutiniškai per 11 500 valandų, o tai reiškia, kad eksploatavimo trukmė sumažėjo 36 %, esant tokiam pat vatų tankiui ir proceso sąlygoms. 2,0 mm šildytuvai su apvalkalu truko tik 7 200 valandų, o tai 60 % sumažėjo, palyginti su ploniausių sienų grupė. Termoporos matavimai MgO sluoksnio viduje bandymų metu parodė, kad esant vienodam vatų tankiui, 2,0 mm apvalkalo šildytuvų vidinė laidų temperatūra buvo maždaug 55 laipsniais didesnė už 1,2 mm vienetų temperatūrą. Aukšta temperatūra pagreitino vielos oksidaciją ir MgO varžos praradimą. Kai eksperimentas buvo atliktas su sumažintu vatų tankiu pagal anksčiau rastą tiesinį ryšį, 10,5 W/cm2 1,6 mm grupei ir 9,5 W/cm2 2,0 mm grupei, visos trys grupės pasiekė panašų 16 000–18 000 valandų ilgaamžiškumą. Tai rodo, kad sienelės storis nebūtinai sutrumpina šildytuvo tarnavimo laiką, o tai, kad netinkamai sumažinus vatų tankį, kai reikalaujama storesnių sienų, yra ankstyvo gedimo priežastis.

Standartiniai 316 apvalkalo storiai ir vatų tankio ribos pagal naudojimą
Žemiau esančioje lentelėje pateiktos rekomenduojamos didžiausios vatų tankio vertės panardinamiesiems šildytuvams, plakiruotiems iš 316 nerūdijančio plieno ir naudojamų tipiškuose proceso skysčiuose. Tai yra nuolatinio veikimo, vidutinio skysčio srauto (Reynoldso skaičius viršija 4000) ir pageidaujamos 750 laipsnių vidinės laido temperatūros pasiūlymai. Sustingusioms arba didelio klampumo terpėms rekomenduojama papildomai sumažinti 20–30 %.

Proceso skystis ir tipinė temperatūra 316 Apvalkalo sienelės storis 0,8-1,0 mm 316 Apvalkalo sienelės storis 1,2-1,5 mm 316 Apvalkalo sienelės storis 1,6-2,0 mm 316 Apvalkalo sienelės storis 2,2-2,5 mm
Demineralizuotas vanduo, 20–60 laipsnių 18 W/cm2 15 W/cm2 12 W/cm2 10 W/cm2
Demineralizuotas vanduo 60–95 laipsnių 15 W/cm2 12 W/cm2 10 W/cm2 8 W/cm2
Lengvoji alyva (ISO VG 32), 40-80 laipsnių 12 W/cm² 10 W/cm² 8 W/cm² 6,5 W/cm²
Sunkioji alyva (ISO VG 220), 80–120 laipsnių 8 W/cm2 6.5 W/cm2 5.5 W/cm2 4.5 W/cm2
Praskiestas rūgšties arba šarminis tirpalas, 50–80 laipsnių 10 W/cm2 8.5 W/cm2 7 W/cm2 5.5 W/cm2
Mažas srautas (stovėjęs vandens / bako kampai) 8 W/cm² 6,5 W/cm² 5 W/cm² 4 W/cm²
Šios vertės yra saugios nuolatinio veikimo ribos normalios konstrukcijos šildytuvams. Jei šios rekomendacijos bus viršytos, įrenginys nesuges iš karto, tačiau jo tarnavimo laikas palaipsniui mažės. Dėl eksponentinio ryšio tarp laido temperatūros ir oksidacijos greičio, šildytuvo tarnavimo laikas paprastai sumažėja 30–40%, vatų tankiui padidėjus 10% nuo priimtino kiekio.

Didelė galia, palyginti su storomis sienomis
Taikomioms reikmėms, kurioms reikalingas storos sienelės 316 apvalkalo mechaninis patvarumas ir didelės galios galia, yra trys inžineriniai metodai, padedantys suderinti tariamą konfliktą. Pirmas, paprasčiausias būdas – padidinti šildomo elemento ilgį ir palaikyti pastovią bendrą galią. Bendra galia gali būti tokia pati, kai panardintas ilgis yra dvigubai ilgesnis, esant pusei vato tankio. Tai išlaiko storą sienelę mechaninei apsaugai ir vidinio laido temperatūrą žemiau priimtino diapazono. Kompromisas- yra didesnis laivo įsiskverbimo dydis ir galbūt didesnės medžiagos sąnaudos. Antrasis būdas yra pagerinti skysčio srautą per šildytuvo paviršių. Skysčio ribinio sluoksnio atsparumas gali būti sumažintas 2–3 kartus dėl priverstinės cirkuliacijos, o tai savo ruožtu sumažina išorinio apvalkalo temperatūrą ir leidžia pasiekti didesnį vatų tankį net esant storoms sienoms. Teisingai suprojektuota cirkuliacijos kilpa gali atgauti 2-3 W/cm2 našumą esant sustingusioms sąlygoms. Trečias būdas yra sąmoningai suprojektuoti didesnę vidinę laido temperatūrą, kad būtų galima dirbti su pertrūkiais. Jei šildytuvas veikia tik su pertraukomis, pvz., norint palaikyti budėjimo režimo temperatūrą du kartus per dieną naudojamoje talpykloje, oksidacijos pažeidimo mastas kiekvieno ciklo metu yra ribotas. Šios sąlygos leidžia 20–30 % padidinti vatų tankį, palyginti su nuolatiniais dydžiais, neprarandant pageidaujamo daugelio metų tarnavimo laiko.

Išvada: Sienelės storio vatų tankio funkcija ne viena
Pagrindinis inžinierių, nurodančių 316 nerūdijančio plieno apvyniotus elektrinius šildymo elementus, privalumas yra tai, kad negalite pasirinkti sienelės storio ir vatų tankio atskirai. Galima tikėtis, kad plonasienis šildytuvas, veikiantis esant dideliam vatų tankiui, pasieks tokią pačią vidinę laido temperatūrą, kaip ir storasienis šildytuvas, veikiantis esant mažam vatų tankiui. Nė vienas nėra geresnis. Jie skiriasi mechaniniais ir terminiais prioritetais. Pirmasis žingsnis teisingos specifikacijos link yra rasti vyraujantį apribojimą. Kai mechaniniams reikalavimams, tokiems kaip slėgis, vibracija, erozija, reikalingas 2,0 mm ar storesnis apvalkalas, leistinas vatų tankis turėtų būti proporcingai sumažintas, naudojant linijinę sumažinimo formulę, gautą iš šiluminės varžos principų. Tačiau norint pasiekti didelį galios tankį mažame apvalkale, reikalingas plonesnis apvalkalas (1,0 mm arba mažesnis), kad būtų galima kontroliuoti vidaus temperatūrą. Inžinieriai turėtų nurodyti šildytuvo gamintojui visą reikalingą galią ir maksimalų apvalkalo sienelės storį ir paprašyti gamintojo apskaičiuoti gautą vatų tankį ir patvirtinti numatomą tarnavimo laiką. Dėl šio bendradarbiavimo metodo specifikacija yra mechaniškai patikima, termiškai subalansuota ir ekonomiškai optimizuota – išvengiama paslėptų priešlaikinio gedimo sąnaudų ir pernelyg didelių išlaidų dėl permontuotų projektų.