Aká je maximálna povolená hrúbka steny plášťa z nehrdzavejúcej ocele 316 pre aplikáciu nízkotlakového ohrevu parou- pri 130 stupňoch Celzia s návratom kondenzátu?

Procesní inžinieri, ktorí konštruujú elektrické ponorné ohrievače pre nízko{0}}tlakové parné systémy, ako sú parné plášte, zvlhčovacie komory a sterilizačné zariadenia, čelia jedinečnému súboru obmedzení spojených s existenciou návratu kondenzátu. Na rozdiel od aplikácií s čistou vodou alebo suchou parou majú systémy vratného kondenzátu zmes kvapalnej vody, rozpusteného kyslíka a typicky stopových množstiev kyseliny uhličitej z rozpusteného oxidu uhličitého. Prostredie je trochu korozívne pre nehrdzavejúcu oceľ 316, najmä na rozhraní voda--para, kde gradienty koncentrácie kyslíka spôsobujú lokalizovanú koróziu. Prídavok na koróziu je určený hrúbkou steny plášťa 316 a, čo je dôležitejšie, povrchovou teplotou v porovnaní s teplotou nasýtenia pary. Ak je povrchová teplota plášťa príliš nízka, podporuje tvorbu kondenzátu a koróziu, ak je však príliš vysoká, zvyšuje tvorbu vodného kameňa a tepelné namáhanie. Tento článok definuje maximálnu povolenú hrúbku steny pre 316 plášťov v prevádzke s vratnou parou na základe rýchlosti korózie a optimalizácie prenosu tepla.

Mechanizmy korózie pri návrate kondenzátu pary
Tlak nasýtenia nízkotlakovej pary pri 130 stupňoch je približne 2,7 bar absolútne. Keď sa para stretne s povrchom pod teplotou nasýtenia, vytvára kondenzát vo forme tekutého povlaku. Tento kondenzát zachytáva kyslík a oxid uhličitý z pary a zo vzduchu pri -úniku a vytvára mierne kyslý roztok s pH 4,5 až 6.0. 316. Nerezová oceľ v tomto prostredí vykazuje vo všeobecnosti rýchlosť korózie 0,02 – 0,08 mm/rok v závislosti od obsahu kyslíka a rýchlosti regenerácie kondenzátu. Ešte dôležitejšie je, že k lokalizovanej atakovej{10}}jamkovej a štrbinovej korózii-dochádza vo vodoryske, kde plášť preniká vrstvou kondenzátu. Vytváranie buniek koncentrácie kyslíka môže viesť k rýchlosti korózie v blízkosti vodorysky, ktorá je dva až päťkrát vyššia ako rýchlosť úplne ponorenia. Pre päť{14}}ročný ohrievač s konštrukčnou životnosťou je potrebná tolerancia pre koróziu 0,2 – 0,4 mm pre všeobecnú koróziu + 0.3 – 0,6 mm je nevyhnutných pre napadnutie čiary ponoru. Plášť s hrúbkou 1,0 mm by nemal dostatočný okraj a po dvoch až troch rokoch by sa perforoval. 1,6 mm plášť poskytuje primeranú rezervu na päťročnú životnosť. Avšak hrubšie steny môžu viesť k vyššej povrchovej teplote plášťa pri danej hustote wattov, čo môže ovplyvniť kondenzačné správanie.

Vplyv hrúbky steny na tvorbu kondenzačného filmu a koróziu
V prípade ohrievača pracujúceho v pare pri 130 stupňoch by teplota povrchu plášťa mala byť vyššia ako teplota nasýtenia, aby sa zabránilo tvorbe kondenzačného filmu. Podmienky suchej pary bez tekutej vody na plášti sa dosiahnu, keď je povrchová teplota 5-10 stupňov nad nasýtením. 316 miera korózie v suchej pare je mierna – < 0,01 mm za rok. Vyššie uvedené rýchlosti korózie platia pre súvislý film kondenzátu pri teplote nasýteného povrchu alebo nižšej. Povrchová teplota plášťa sa vypočíta ako celková teplota pary plus nárast teploty v dôsledku tepelného toku cez stenu plášťa. Hrubšia stena pridáva vodivý odpor a tým zvyšuje povrchovú teplotu pre danú wattovú hustotu. Hrubostenný plášť môže skutočne zabrániť korózii tým, že udržuje povrch suchý. Plášť s úzkymi stenami môže bežať chladnejšie a podporovať útok kondenzátu. Predstavte si ohrievač s výkonom 8 W/cm² v pare s teplotou 130 stupňov. Teplota vonkajšieho povrchu 1,0 mm plášťa steny 316 je asi 133 stupňov, iba 3 stupne nad nasýtením. Okrajové okolnosti môžu produkovať prerušovaný kondenzát. Vonkajšia povrchová teplota 1,6 mm plášťa steny je asi 138 stupňov - 8 stupňov nad nasýtením, preto existuje bezpečná rezerva pre suchú prevádzku. Nie je to prídavok materiálu, ktorý minimalizuje koróziu, ale zmena stavu povrchu z mokrého na suchý, ktorú zabezpečuje hrubá stena. Toto je dôležitá lekcia pre návrh parného systému: väčšie steny môžu byť dobré pre odolnosť proti korózii aj v situáciách kondenzácie.

Odporúčaná hrúbka steny pre spätný odvod kondenzátu parou
Nasledujúca tabuľka uvádza prijateľné hrúbky steny plášťa pre elektrické ponorné ohrievače v nízkotlakovej parnej prevádzke s odvodom kondenzátu. Hodnoty sú vypočítané pre nepretržitú prevádzku, kvalitu pary typickú pre systémy priemyselných kotlov a projektovanú životnosť 5 rokov.

Teplota pary Prevádzková hustota vo wattoch Odporúčaná minimálna 316 Hrúbka steny Odporúčaná maximálna 316 Hrúbka steny Povrchová teplota plášťa pri maximálnej hrúbke Očakávaná miera korózie Dominantný poruchový režim 110 stupňov (1,4 baru) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 12215 – 105,05,0 stupňov Korózia filmu kondenzátu 120 stupňov (2,0 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 125 – 132 stupňov 0,03 – 0,08 mm/rok Prechodné mokré/suché 130 stupňov (2,7 bar) 6 – 10 W/cm² pod rok 1,4 mm 105 mm/rok 1,4 mm 1325 mm/rok (suchý) Tepelný cy
Akákoľvek teplota, prerušovaná kondenzácia 4 – 8 W/cm² 1,6 mm 2,5 mm Variabilná 0,08 – 0,15 mm/rok (mokré cykly) Dôlková čiara ponoru
Pri teplotách pary presahujúcich 140 stupňov môže povrchová teplota plášťa na hrubých stenách prekročiť 160 stupňov, čo môže viesť k lokalizovanému varu a tvorbe vodného kameňa, ak sú vo vode prítomné rozpustené častice. V týchto prípadoch je žiaduce, aby sa dosiahla nízka hrúbka steny v špecifikovanom rozsahu. Pre teploty pary pod 120 stupňov je ťažké stanoviť podmienky suchého plášťa s akoukoľvek praktickou hrúbkou steny, pretože teplota nasýtenia je nízka a nárast teploty v dôsledku tepelného toku je obmedzený. Pri nízkoteplotnej parnej prevádzke by mali technici akceptovať, že tam bude kondenzátový film, a preto špecifikovať hrúbku steny na základe koróznej tolerancie a nie suchej prevádzky.

Úpravy dizajnu na dosiahnutie prevádzky so suchým plášťom s tenkými stenami
Ak sa v parnej prevádzke vyžaduje tenkostenný-plášť 316 s hrúbkou menšou ako 1,2 mm (zvyčajne pre rýchlu tepelnú odozvu v nízkotlakových systémoch), tri konštrukčné zmeny môžu viesť k suchej prevádzke napriek nižšiemu nárastu teploty. Jedným z nich je zvýšenie hustoty wattov. Zvýšenie hustoty vo wattoch z 5 W/cm² na 10 W/cm² môže zvýšiť povrchovú teplotu plášťa približne o 15–20 stupňov a môže zmeniť prevádzku z mokrej na suchú. Kompromisom{10}}je vyššie riziko miestneho prehriatia, ak sa zastaví prúdenie pary. Druhou úpravou je spustiť ohrievač v prerušovanom režime pri vyššej špičkovej teplote. Ohrievač, ktorý sa cyklicky pohybuje medzi 130 stupňami a 180 stupňami, strávi väčšinu času nad teplotou nasýtenia, len s krátkymi obdobiami kontaktu s kondenzátom počas spúšťania. Ak je ohrievač v priebehu niekoľkých minút v suchom stave, poškodenie koróziou počas spúšťania je obmedzené. Poslednou zmenou je inštalácia odvodu kondenzátu, aby sa zabránilo tvorbe tekutej vody okolo ohrievača. Pri absencii stojatého kondenzátu je rýchlosť korózie značne znížená, aj keď je povrch vlhký s tenkým filmom. Pre väčšinu priemyselných parných systémov je hrúbka steny 1,6 mm dobrým kompromisom medzi toleranciou korózie, prevádzkovou rezervou za sucha a mechanickou pevnosťou. Inžinieri musia poskytnúť potrebnú rezervu na povrchovú teplotu, často 5–10 stupňov nad nasýtením, a požiadať výrobcu, aby určil kombináciu hrúbky steny a hustoty wattov, ktorá poskytne túto rezervu. Dodávateľ, ktorý nie je schopný urobiť tento odhad, nemusí oceniť špeciálne potreby servisu parného kondenzátu.