Ako sa dá 1,0-milimetrový plášť z nehrdzavejúcej ocele 316 porovnať s 2,0-milimetrovým plášťom pri predchádzaní poškodeniu suchým-popálením počas náhodnej straty pokrytia kvapalinou vo vertikálnych ponorných ohrievačoch?

Náhodná strata pokrytia kvapalinou-suché-popálenie je jednou z najčastejších a katastrofických príčin zlyhania vertikálnych ponorných ohrievačov inštalovaných v nádržiach, žumpách a procesných nádobách pre bezpečnostných technikov v závodoch a špecifikátorov zariadení. Keď hladina kvapaliny klesne pod vyhrievanú oblasť plášťa, teplo dodané kvapaline sa teraz rozptýli v plášti a odporovom drôte. Rýchly nárast teploty má za následok oxidáciu drôtu, degradáciu izolácie MgO a nakoniec prasknutie plášťa alebo elektrické zlyhanie. Hrúbka steny plášťa z nehrdzavejúcej ocele 316 je dôležitým parametrom v čase poškodenia a najvyššej teplote pri suchom-popálení. Tento článok predstavuje kvantitatívne porovnanie výkonu suchého-horenia pre 1,0 mm a 2,0 mm stenové plášte pri rovnakom nastavení výkonu a expozície pre odporúčania na zníženie rizika v kritických aplikáciách.

Tepelná odozva na suché-popálenie ako funkcia hrúbky steny
Ak sa vertikálny ponorný ohrievač ponorí-do kvapaliny, koeficient prestupu tepla na povrchu plášťa klesne z približne 5 000-10 000 W/m2-K vo vriacej vode alebo z 500-1 000 W/m2-K v premiešanom oleji 0 m/2000 v 5 W. Toto 100-násobné zníženie vyžaduje, aby sa povrchová teplota plášťa značne zvýšila, aby sa rozptýlil rovnaký tepelný tok. 10 W/cm2 (100 000 W/m2) ohrievača vo vzduchu s koeficientom prirodzenej konvekcie 50 W/m2-K, povrchová teplota v ustálenom stave by bola 100 000/{{21} 16 000 stupňov tavenia nehrdzavejúcej ocele. V skutočnosti ohrievač nikdy nedosiahne rovnováhu. Namiesto toho sa zahrieva, kým sa odporový drôt nezlomí alebo sa nezapne tepelná poistka. Tepelná hmota plášťa a vnútorných častí riadi rýchlosť nárastu teploty pri suchom spaľovaní. 1,0 mm stenový plášť má takmer polovičnú tepelnú hmotnosť na jednotku plochy ako 2,0 mm plášť. Preto sa jeho teplota zvyšuje približne dvakrát rýchlejšie v prvých sekundách suchého horenia. Experimentálne údaje pre plášte s vonkajším priemerom 10 mm pri 10 W/cm2 v pokojnom vzduchu naznačujú, že 1,0 mm stena dosiahne 400 stupňov na vonkajšom povrchu za 8 sekúnd, zatiaľ čo 2,0 mm stena potrebuje 16 sekúnd na dosiahnutie 400 stupňov. 2,0 mm plášť však udrží viac tepla, a preto zostane dlhšie nad kritickými teplotami po odpojení napájania.

Porovnanie maximálnej teploty a času do zlyhania
Teplota kritickej poruchy zapuzdreného ohrievača 316 sa riadi oxidačným limitom vnútorného niklu-chrómového odporového drôtu, približne 800-850 stupňov pre nepretržitú prevádzku. Vďaka izolačnej vrstve MgO je teplota drôtu počas suchého horenia približne o 50-100 stupňov vyššia ako teplota vnútorného povrchu plášťa. Teplota drôtu dosahuje 800 stupňov a rýchla oxidácia začína pri 700 stupňoch na vnútornom povrchu plášťa. Čas na dosiahnutie tohto prahu je funkciou hrúbky steny. V prípade steny s hrúbkou 1,0 mm dosiahne vnútorný povrch plášťa 700 °C po asi 25 sekundách pri 10 W/cm2 v pokojnom vzduchu. Celkový čas do zlyhania obvodu vodiča je asi 35-45 sekúnd. Za rovnakých podmienok, ale s hrúbkou steny 2,0 mm, dosiahne vnútorný povrch plášťa 700 stupňov po približne 55 sekundách a zlyhanie drôtu nastane medzi 75 a 90 sekundami. Doba prežitia suchého spálenia je 2 až 2,5 krát dlhšia s hrubšou krytinou. Toto rozlíšenie je dosť dôležité pre aplikácie, kde odozva tepelného odpojenia alebo spínača hladiny môže trvať niekoľko sekúnd. 1,0 mm plášť môže zlyhať pred otvorením pomaly reagujúceho mechanického termostatu, kde 2,0 mm plášť má dostatočnú tepelnú zotrvačnosť na preklenutie reakčného času.

Porovnanie matice prežitia Dry-Burn Survival
Nižšie uvedená tabuľka poskytuje priame porovnanie výkonu plášťa 1,0 mm a 2,0 mm 316 pri výskyte suchého-popálenia pri rôznych prevádzkových nastaveniach. Hodnoty znamenajú vertikálny ponorný ohrievač v pokojnom vzduchu po strate kvapaliny a žiadne aktívne chladenie alebo nútenú konvekciu.

Hustota wattov za sucha-horenie Operačný plášť Hrúbka steny Čas do vonkajšieho povrchu pri 400 stupňoch Čas do vnútorného povrchu pri 700 stupňoch Celkový čas do zlyhania vodiča Odporúčaná stratégia ochrany
5 W/cm2 1.0 mm 12 sekúnd 40 sekúnd 55 – 70 sekúnd Rýchle tepelné vypnutie (< 30 sekúnd)
5 W/cm² 2,0 mm 24 sekúnd 85 sekúnd 110 - 140 sekúnd Štandardné tepelné odpojenie prijateľné 10 W/cm² 1,0 mm 8 sekúnd 25 sekúnd 35 - 45 sekúnd Elektronický hladinový spínač Potrebná odozva 5 sekúnd
10 W/cm2 2.0 mm 16 s. 55 s. 75 – 90 s. Štandardná tepelná poistka alebo hladinový spínač prijateľné 15 W/cm2 1.0 mm 5 s. 16 s. 22 – 30 s. Povinná redundantná ochrana; vysoké riziko 15 W/cm2 2.0 mm 11 s. 38 s. 50 – 65 s. Odporúča sa rýchle tepelné odpojenie 20 W/cm2 1.0 mm 4 s. 12 s. 17 – 22 s. Neodporúča sa, akákoľvek ochrana bude pravdepodobne príliš pomalá
20 W/cm² 2,0 mm 8 sekúnd 28 sekúnd 40 – 50 sekúnd 2 sekundy potrebná elektronická ochrana
Pre aplikácie s hustotou wattov vyššou ako 15 W/cm 2 a pre tenké steny menšie ako 1,2 mm je doba prežitia suchého-popálenia taká krátka, že poškodeniu môže zabrániť iba elektronická ochrana so sub{4}}sekundovou odozvou, ako je napríklad termočlánok implantovaný do puzdra spojený s polovodičovým- relé. Mechanické termostaty a tepelné poistky majú dobu odozvy 5-15 sekúnd, čo je mimo tohto okna prežitia.

Zmeny v dizajne na zvýšenie odolnosti proti suchu{0}}popáleniu
Tri konštrukčné zmeny môžu predĺžiť dobu prežitia tam, kde tepelná odozva vyžaduje tenkostenné 316 puzdro, napriek tomu existuje riziko suchého popálenia. Najlepším a najjednoduchším spôsobom je pridať samostatnú poistku proti nedostatku vody, ktorá vypne elektrinu, keď hladina kvapaliny klesne pod ohrievanú časť. Vodivostná sonda alebo plavákový spínač umiestnený na minimálnej hladine kvapaliny poskytuje ochranu pred vystavením ohrievača. Druhou zmenou je zníženie wattovej hustoty v hornej časti ohrievača. Dizajn zužujúcej sa wattovej hustoty o - nižší výkon na jednotku dĺžky v hornej časti, kde je najpravdepodobnejšia expozícia, - predlžuje dobu prežitia suchého-horenia bez obetovania celkového výkonu ohrievača. Poslednou zmenou je umiestnenie termočlánku priamo na vnútorný povrch plášťa 316. Tento senzor dokáže rozpoznať rýchly nárast teploty suchého-popálenia za 1-2 sekundy, takže riadiaci systém môže vypnúť napájanie skôr, ako drôt dosiahne kritickú teplotu. Toto je typický spôsob implementácie vysoko spoľahlivých ohrievačov v dôležitých prevádzkach. Pre väčšinu priemyselných aplikácií poskytuje 2,0 mm stenový plášť jednoduchú a odolnú ochranu proti suchému-popáleniu. Predĺžená doba prežitia umožňuje, aby bežné ochranné systémy fungovali konzistentne a hrubšia stena prežila občasné krátke suché-popáleniny bez akéhokoľvek trvalého poškodenia. Inžinieri by mali od výrobcu vyžadovať stanovenú bezpečnú hrúbku steny a mali by opísať očakávaný reakčný čas ochrany proti popáleniu za sucha-. Ak dodávateľ nemôže poskytnúť túto štúdiu, nemusí úplne pochopiť tepelnú dynamiku suchého-popálenia. Náklady na zvýšenie hrúbky steny z 1,0 mm na 2,0 mm sú malé v porovnaní s nákladmi na poruchu ohrievača, ktorá vedie k zastaveniu výroby alebo nebezpečenstvu požiaru v dôsledku prehriatia materiálov. Ak si nie ste istí, choďte na hrubšiu stenu a zaplatte menšiu pokutu v tepelnej účinnosti za húževnatosť suchého horenia.