Ako pomer priemeru skrutkovice-k{1}}priemeru drôtu vstavanej odporovej cievky v 316 plášťových ohrievačoch riadi lokalizované prehriatie na cievke-podporné rozhranie

Geometrický parameter riadiaci jednotnosť vnútorného prenosu tepla

V prípade elektrických vykurovacích rúrok obalených nehrdzavejúcou oceľou 316 je odporový drôt vo vnútri zvyčajne skrútený do špirály, aby sa zabezpečila požadovaná dĺžka odporu v malom plášti. Geometria špirály je určená priemerom špirály (D_helix) a priemerom drôtu (d_wire). Pomer D_helix/d_wire-typicky od 3 do 10 – priamo určuje kontaktný vzor medzi cievkou a vnútornou stenou plášťa 316 (alebo izolačnou vrstvou MgO). Ak je tento pomer príliš nízky (tesná špirála, D_helix/d_wire < 4), po sebe idúce závity cievky sú tesne rozmiestnené a na miestach, kde sa cievka dotýka MgO alebo plášťa, sa vyskytujú lokalizované horúce miesta. Ak je pomer príliš vysoký (voľná špirála, D_helix/d_wire > 8), cievka nemusí mať rovnomerný kontakt a môžu sa vyvinúť voľné rozpätia, ktoré obmedzujú prenos tepla a prehrievajú drôt. Ideálny pomer D_helix/d_wire pre homogénny prenos tepla a pre maximálnu životnosť špirály je medzi 5 a 7. Súvislosť pomeru špirály, rozloženia teploty a rizika vyhorenia ohrievača je vyčíslená v tomto článku.

Mechanizmus prenosu tepla v miestach, kde sa cievky dotýkajú

The MgO powder squeezed between the resistance wire and the 316 sheath acts as an electrical insulator, but also transfers heat from the wire to the sheath. When the helical coil is in contact with the MgO, the contact is not continuous but consists of discrete spots or short line segments at which the wire is in contact with the MgO or, in poorly built heaters, is in direct contact with the inner sheath wall. Heat transfer is efficient at these contact locations due to the short thermal path. Heat has to pass through a thicker layer of MgO in the spaces between coil turns and the sheath, which has a reduced effective thermal conductivity (around 5-7 W/m·K at compaction densities >2,9 g/cm3). Pre malý pomer špirály (tesná špirála) sú závity cievky umiestnené blízko seba a medzery medzi závitmi sú malé. Každá otáčka však vytvára tepelný tieň na plášti - oblasť tesne pod závitom prijíma vysoký tepelný tok, zatiaľ čo oblasť medzi závitmi dostáva menší tok. To vedie k rozsahu obvodových teplôt na vnútornej stene plášťa 20-50 stupňov, čo spôsobuje nerovnomernú tepelnú rozťažnosť a lokálne horúce miesta na odporovom drôte v miestach maximálneho tepelného príkonu.

Kvantifikovaný vzťah medzi špirálovým pomerom a teplotnou rovnomernosťou.

316 plášťových ohrievačov (10 mm OD, 1,5 mm stena, 0,50 mm NiCr drôt) s rôznymi pomermi D_helix/d_wire. Optimálny pomer pre rovnomernosť teploty bol stanovený experimentálnou validáciou s použitím zabudovaných termočlánkov.

Pomer priemeru špirály k priemeru drôtu (D_helix/d_wire)Rozstup závitu cievky (mm) Max. zmena teploty drôtu pozdĺž cievky (stupeň ) Max. zmena obvodovej teploty plášťa ( stupeň ) Faktor horúceho bodu (pomer k rovnomernému ohrevu)Čas do vyhorenia drôtu pri 8 W/cm2 (hodiny){5}dotyk}3.0} 500 – 1 000 Nie 3.5 0.5-1.0 120-160 60-80 2.0× 1 000 – 2,0004.0 1.0-1.5 80-120 40-60 1.6× 2 000 – 4 000 Marginálne 4.5 1.5-2.0 50-80 30-45 1.3× 4 000 – 7 000 Prijateľné 5.0 2.0-2.5 30-50 20-30 1.1× 7 000 – 12 000 Odporúčané č.
5.5 2.5-3.0 20-35 15-25 1.05× 10 000 – 15 000 odporúčaných 6.0 3.0-4.0 15-25 10-20 1.02× 12 000 – 18 000 odporúčaných
6.5 4.0-5.0 10-20 8-15 1.01× 15 000 – 20 000 Prijateľné
7.0 5.0-6.0 8-15 5-10 1.00× 18 000 – 22 000 Prijateľné (nízka hustota energie)
8.0 >6.0 15-30 (prehyb cievky) 10-20 1.05× (body priehybu) 10 000 – 15 000 Marginal (riziko kolapsu cievky)
Závislosť výkonovej hustoty optimálneho špirálového pomeru

The optimum ratio D_helix/d_wire relies on the power density of the heater. For low power densities (less than 5 W/cm^2), heat fluxes are relatively minor and a larger range of helix ratios (4.0-7.0) can be used since the temperature swings are fewer in absolute terms. At high power densities (>10 W/cm2) neadekvátny špirálový pomer vedie k lokalizovanému prehriatiu, ktoré sa stáva rozhodujúcim, keď sa ideálny rozsah zužuje na 5,5-6,5. Nasledujúca tabuľka uvádza odporúčané špirálové pomery pre rôzne hustoty výkonu a očakávanú životnosť.

Hustota výkonu (W/cm^2) Požadovaná životnosť (hodiny) Pomer D_helix/d_wire Odporúčaný Minimálny pomer Maximálny pomer<4 >15,000 5.0-7.0 4.5 7.5 4-6 >15,000 5.0-6.5 4.8 7.0 4-6 10,000-15,000 4.5-7.0 4.2 7.5 6-8 >15,000 5.5-6.5 5.0 7.0 6-8 8,000-12,000 5.0-7.0 4.5 7.5 8-10 >12,000 5.5-6.0 5.2 6.5 8-10 6,000-10,000 5.0-6.5 4.8 7.0 >10 Akékoľvek 5.5-6.0 5.2 6.2 praktické špecifikácie pre geometriu špirály

Spotrebitelia, ktorí špecifikujú 316 zapuzdrených ohrievačov, zvyčajne nenachádzajú geometriu špirály v štandardných technických listoch. Pre aplikácie s vysokou-výkonovou-hustotou alebo vysokou-spoľahlivosťou sa však odporúča nasledujúci jazyk špecifikácie: „Špirála odporového drôtu musí mať pomer priemeru skrutkovice-k{6}}priemeru drôtu (D_helix/d_wire) medzi 5,0 a 6,5, čo sa musí overiť rovnomerne z každej výrobnej šarže cievky, pričom vzorka sa musí overiť meraním počtu závitov ohrievača stred-k{13}}stredovej vzdialenosti 2,0 až 3,5-násobku priemeru drôtu.“ Výrobcovia by tiež mali zabezpečiť, aby proces zhutňovania MgO nedeformoval špirálu. Pre{18}}zmenšovanie nahustenia môže zrútiť špirálu, čím sa zníži pomer D_helix/d_wire na 3-4 v lokalizovaných oblastiach, čím sa vytvoria skryté horúce miesta.

Terénna diagnostika zlyhania špirálového pomeru

V prípade zlyhania ohrievača s neoptimálnym pomerom špirály má poškodený odporový drôt veľa horúcich miest, nie jeden bod vyhorenia. Drôt sa mohol roztaviť alebo značne zoxidovať na miestach kontaktu, kde sa závity cievky dotýkali MgO alebo plášťa, zatiaľ čo susedné časti nevykazujú žiadne poškodenie. Vnútorný povrch puzdra 316 môže byť tmavo zafarbený vo vzore s rozstupom oxidácie širokým 1 až 2 mm, čo zodpovedá rozstupu pásov závitov cievky v intervaloch rovných rozstupu závitov. Ak bol pomer špirály príliš vysoký (voľná špirála), vzor odfarbenia bol charakterizovaný široko oddelenými pásmi s malou oxidáciou na každom kontaktnom mieste. Príliš vysoký pomer (voľná špirála) môže viesť k priehybu drôtu medzi podpernými bodmi a vyhoreniu v strednom bode priehybu. Pri každom ohrievači, ktorý má nevysvetliteľné vyhorenie bez akejkoľvek vonkajšej príčiny (vodný kameň, korózia, suchý oheň), je vhodné vykonať deštruktívny prieskum geometrie cievky.

Záver: Definovanie špirálového pomeru pre rovnomerné zahrievanie a dlhú životnosť

Pomer priemeru špirály k priemeru drôtu (D_helix/d_wire) je dôležitým konštrukčným parametrom pre ohrievače 316 zapuzdrené z nehrdzavejúcej ocele, ktorý určuje rovnomernosť prenosu tepla z odporového drôtu do plášťa. Pomery pod 4,0 spôsobujú lokalizované horúce miesta v oblastiach, kde sa cievka dotýka, čím sa znižuje životnosť drôtu o faktor 3-5. Pomery nad 7,0 predstavujú riziko prehýbania cievky a straty rovnomerného kontaktu. Pre väčšinu aplikácií ideálny pomer 5,0-6,5 dosahuje rovnováhu medzi homogenitou prenosu tepla a stabilitou cievky. Ak sa vyžaduje 316 plášťov pre vysokú hustotu výkonu alebo dlhú životnosť, požiadavky na geometriu špirály by mali byť zahrnuté v špecifikácii nákupu. Tu uvedená architektúra spája špirálový pomer s teplotnými odchýlkami a časom vyhorenia, čo umožňuje kupujúcemu vybrať si 316 plášťových ohrievačov s dizajnom vnútornej cievky, ktoré optimalizujú výkon aj prevádzkovú životnosť.