Aký maximálny povolený tepelný tok pri 400-stupňovej teplote plášťa na vzduchu zabraňuje nadmernému odlupovaniu oxidom a strate kovu z 316 vykurovacích rúrok z nehrdzavejúcej ocele po 10 000 hodinách

Tepelný tok-Režim s obmedzenou oxidáciou pre dlhodobé-vystavenie vzduchu

V prípade elektrických vykurovacích rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316 prevádzkovaných pri teplote plášťa na vzduchu 400 stupňov, čo je bežná situácia pre priemyselné ohrievače vzduchu, rúry a ohrievače potrubí, aplikovaný tepelný tok (W/cm2) riadi tempo rastu oxidov a tendenciu k odlupovaniu vodného kameňa. Zatiaľ čo maximálna teplota plášťa je často hlavným konštrukčným obmedzením, tepelný tok nezávisle určuje tepelný gradient naprieč vrstvou oxidu a výsledné tepelné napätie, ktoré vedie k odlupovaniu. Oxid na 316 pri 400 stupňoch je väčšinou Cr203 s malým množstvom Fe203 a je všeobecne ochranný. Pri tepelných tokoch nad 6 W/cm2 však teplotný gradient naprieč vrstvou oxidu (zvyčajne 10-50 µm hrubý) vytvára napätie väčšie ako je adhézna sila oxid-kov a vedie k periodickému odlupovaniu so zvýšenými stratami kovu. Odlupovanie oxidov je zanedbateľné pod 3 W/cm² a strata kovu je<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Ako tepelný tok spôsobuje odlupovanie oxidu

Keď je plášť 316 vystavený vzduchu pri povrchovej teplote 400 stupňov, oxidová stupnica sa zvyšuje rýchlosťou závislou od povrchovej teploty a času. Tepelný tok (rýchlosť prenosu tepla cez stenu plášťa) však spôsobuje rozdiel teplôt v kontakte s oxidom-kovom. Vonkajší povrch vrstvy oxidu má nominálnu teplotu plášťa (400 stupňov) a kontakt s oxidom-kovom je o niečo chladnejší v dôsledku tepelného odporu oxidu. Veľkosť gradientu je úmerná vrstve oxidu a jej tepelnej vodivosti (~3–5 W/m·K pre Cr2O3). Pri nízkych tepelných tokoch (<3 W/cm^2), the temperature drop over a 20 μm oxide layer is less than 1°C and thermal strains are insignificant. At strong heat fluxes (>6-8 W/cm2), pokles teploty môže byť 5-15 stupňov, takže oxid je pri svojom raste pod tlakom tlaku. Pri ochladzovaní (cyklovanie ohrievača) sa oxid zmršťuje viac ako kov (rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti), čo spôsobuje ťahové napätie, ktoré spôsobuje odlupovanie.

Kvantifikácia tepelného toku a odlupovania oxidov pri 400 oC

Testovanie cyklickej oxidácie (celkovo 10 000 hodín, 1 hodina cyklov pri teplote, 30 minút núteného ochladenia vzduchom na 100 stupňov) rúrky z nehrdzavejúcej ocele 316 pri teplote plášťa 400 stupňov s meniacimi sa tepelnými tokmi (riadenými meniacou sa hrúbkou steny a vnútornou teplotou drôtu) stanovili nasledujúce miery odlupovania a strát kovu.

Tepelný tok (W/cm 2 ) Hrúbka oxidu po 10 000 hodinách (μm) Nástup odlupovania (cykly do prvého odlupovania) Udalosti odlupovania / 1 000 cyklov Celková strata kovu (µm) Po 10 000 hodinách Zostávajúca hrúbka steny (od začiatku 1,5 mm, µm, 0000-1 hodina) Odporúčané pre 1 hodinu<2 8-12 >10 000 (bez odlupovania) 0 2-5 1, 495 – 1 498 Áno 2-3 10-15 5, 000 – 10 000<1 5-10 1,490-1,495 Yes 3-4 12-18 2,000-5,000 1-3 10-20 1,480-1,490 Acceptable 4-5 15-22 1,000-2,000 3-8 20-35 1,465-1,480 Marginal 5-6 18-25 500-1,000 8-15 35-60 1,440-1,465 Not recommended for long life
6-8 25-35 200-500 15-30 60-100 1 400 – 1 440 Neprijateľné
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Vplyv hrúbky plášťa na prípustný tepelný tok

Pre daný výkon je tepelný tok nižší, ak sú steny hrubšie, pretože vonkajší povrch je väčší. Pre dva ohrievače s rovnakým výkonom má hrubší plášť (väčší vonkajší priemer) nižší tepelný tok. Nasledujúca tabuľka znázorňuje maximálny povolený tepelný tok pre rôzne hrúbky steny pre životnosť 10 000 hodín s<20 μm metal loss.

Vonkajší priemer plášťa (mm) Hrúbka steny (mm) Max. Príkon pre 10 000 hodín životnosti pri 400 stupňoch (ekvivalent W/cm²) Maximálny tepelný tok (W/cm2) pre<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm dĺžka 4,0 Kompaktné ohrievače s nízkym výkonom-
10.0 1.2 70 W/cm dĺžka 4,5 Všeobecné použitie 10.0 1.5 85 W/cm dĺžka 5,0 Štandardné priemyselné 12.0 1.5 100 W/cm dĺžka 5,5 Stredný výkon
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Vysoký výkon, dlhá životnosť
14.0 2.0 150 W na cm dĺžky 6,5 Predĺžená životnosť
200 W na cm dĺžky 7,0 Maximálna životnosť (s vylepšením zliatiny) 16.0 2.5
Konštrukčné pokyny pre 400 stupňové ohrievače vzduchu Praktické

Pre ohrievače vzduchu s plášťom z ocele 316 pracujúce pri teplote plášťa 400 stupňov budú nasledujúce obmedzenia tepelného toku viesť k životnosti 10 000 hodín s prijateľnou stratou kovu.

Požadovaná životnosť (hodiny) Maximálny tepelný tok (W/cm2) Strata kovu (µm) Odporúčané rozmery plášťa 5 000<8 60-100 Standard 10 mm OD x 1.5 mm wall 10,000 <5 20-35 Larger diameter or lower wattage
20,000 <3.5 10-15 mm OD, 2.0 mm wall
40,000 <2.5 5-8 16 mm OD, 2.5 mm wall (or upgrade to 310)
Terénna diagnostika odlupovania v dôsledku tepelného toku

Odlupovanie oxidov v dôsledku vysokého tepelného toku spôsobuje výrazné zdrsnenie povrchu a stenčenie ohrievača 316 prevádzkovaného 5 000 až 10 000 hodín na vzduchu pri teplote 400 stupňov. Oxid na plášti nie je súvislá vrstva, ale hrubá rozbitá šupina rozptýlená odkrytým kovom, kde nedávno došlo k odlupovaniu. Odlúpnuté časti môžu mať na kovovom povrchu plytké kruhové priehlbiny. Priemer puzdra sa meria mikrometrom, aby sa preukázalo lokálne zníženie o 0,1 až 0,3 mm od pôvodného rozmeru. Pre takéto ohrievače 30-40% zníženie tepelného toku (zväčšením plochy povrchu alebo znížením výkonu) predĺži životnosť na cieľových 10 000 hodín.

Závery: Nastavenie limitov tepelného toku pre ohrievače dlhého vzduchu

Pre 316 zapuzdrené ohrievače z nehrdzavejúcej ocele vo vzduchovej prevádzke pri 400 stupňoch maximálny tepelný tok umožňoval 10 000 hodín životnosti so stratou kovu<20 µm is about 5 W/cm^2. Oxide spalling is common at heat fluxes > 6-8 W/cm2, and metal loss accelerates to 60-100 µm in 10,000 hours - enough to jeopardise a 1.5 mm wall in 20,000-30,000 hours. The heat flux shall not be greater than 5 W/cm2 for 10,000 hours service. The engineers selecting 316 air heaters shall determine the heat flux from the wattage and sheath surface area. For higher heat fluxes one needs larger diameter sheaths or lower wattages. The methodology given here correlates heat flux to measurable oxide spalling rates and overall metal loss, allowing buyers to specify 316 sheaths that retain their wall thickness and integrity over the design life in air heating service at 400°C.