Aká maximálna povolená vrcholová drsnosť (Rz) na vnútornom priemere rúrky plášťa ohrievača 316 zabraňuje lokalizovanému prehriatiu v dôsledku kolísania kontaktného odporu s izolačnou vrstvou MgO

Skrytá premenná textúry povrchu vrtu v rovnomernosti prenosu tepla

Povrchová úprava vnútorného priemeru, tj špičková drsnosť (Rz, priemerná maximálna výška povrchových vrcholov) 316 elektrických vykurovacích rúrok obalených nehrdzavejúcou oceľou je kritickým faktorom na kontrolu kontaktného odporu medzi plášťom a izolačnou vrstvou zhutneného oxidu horečnatého (MgO). Pre drsný vnútorný povrch s vysokými vrcholmi (Rz > 10-15 µm) sa prášok MgO zhutňuje nerovnomerne: vysoký kontaktný tlak na vrcholoch vedie k vyššej lokálnej tepelnej vodivosti, zatiaľ čo úžľabia (s nižším kontaktným tlakom alebo vzduchovými medzerami) vedú k oblastiam s vyšším tepelným odporom. Následné kolísanie prenosu tepla po obvode a po osi môže viesť k lokálnemu prehriatiu odporového drôtu v špičkách (kde je odvod tepla najúčinnejší) alebo v údoliach (kde sa teplo akumuluje). Keď je Rz väčšie ako 20 mikrónov, môže dôjsť k lokálnym teplotným výkyvom 50-100 stupňov C, čo zníži životnosť drôtu 2-5 krát. V tejto štúdii sa kvantifikuje korelácia vnútorného priemeru Rz, rovnomernosti kontaktného odporu a životnosti ohrievača.

Mechanizmus zmeny odporu kontaktu s povrchovou textúrou

Tepelná vodivosť zhutneného prášku MgO nie je materiálovou konštantou, ale silne závisí od kontaktného tlaku medzi MgO a plášťom. V miestach, kde má vnútorný povrch puzdra vrchol, je lokálny kontaktný tlak značný (v dôsledku stláčania) a núti kryštály MgO do tesného kontaktu s kovom. V údolí, kde je povrch najmenej zhutnený, sú ponechané vzduchové medzery (tepelná vodivosť=0.03 W/m·K), ktoré fungujú ako tepelné izolátory. Pokles teploty vo vzduchovej medzere je 50-200 krát väčší ako v tesne zhutnenej oblasti MgO pre podobný tepelný tok. Základným parametrom je vrcholová drsnosť Rz (výška od najnižšieho údolia po najvyšší vrchol), keďže najhlbšie údolia vytvárajú najvyšší tepelný odpor. Hodnoty Rz vnútorných priemerov väčších ako 10-15 µm budú viesť k viditeľným horúcim miestam.

Kvantifikovaná korelácia medzi vnútorným priemerom Rz a rovnomernosťou teploty

Analýza konečných prvkov, potvrdená meraním termočlánkov na 316 plášťoch (10 mm OD, 1,5 mm stena, NiCr drôt), s rôznymi povrchovými úpravami vnútorného priemeru, stanovila nasledujúce súvislosti medzi Rz, teplotnými zmenami a životnosťou drôtu.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Vplyv hustoty výkonu na citlivosť Rz

Nepriaznivý vplyv vysokého Rz rastie so zvyšujúcou sa hustotou výkonu, pretože rovnaká zmena tepelného odporu dáva väčší absolútny nárast teploty.

Hustota výkonu (W/cm^2) Maximálne povolené Rz pre 10 000 hodín životnosti vodiča (um) Maximálne povolené Rz pre 5 000 hodín životnosti vodiča (um) Odporúčaná špecifikácia pre štandardný servis<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Povrchová úprava: Praktická špecifikácia vnútorného priemeru

Je zriedkavé, že povrchová úprava vnútorného priemeru je špecifikovaná v štandardných technických listoch pre odberateľov špecifikujúcich 316 plášťových ohrievačov. Odporúčaný jazyk špecifikácie pre aplikácie s vysokou hustotou výkonu alebo predĺženou životnosťou je nasledujúci:

Power Density >5 W/cm2 Cieľová životnosť Rz (µm) Max. vnútorný priemer Ra (µm) Max. vnútorný priemer Mfg Proces Požadovaná metóda overenia20 000 hodín<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Pole Identifikácia horúcich miest vyvolaných Rz

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 um. Susedné úseky (so zachovaným drôtom) majú nižšie Rz. Pre takéto zlyhania je nápravou nastavenie nižšieho limitu Rz pre budúce nákupy. Ohrievač nie je opraviteľný.

Vplyv povrchovej úpravy vnútorného priemeru na zhutňovanie MgO

Dokonca aj s dobrým vnútorným priemerom Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >18% zníženie zaisťuje, že aj hlboké žľaby budú naplnené MgO, ale môže poškodiť odporový drôt. Najlepšia redukcia stlačenia pre daný vnútorný priemer povrchovej úpravy je:

Vnútorný priemer Rz (µm) Odporúčané minimálne zníženie kovania (%) Odporúčané maximálne zníženie kovania (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Neodporúča sa N/A
ZÁVER: Definícia vnútorného priemeru Rz pre vysokovýkonné ohrievače

Pre elektrické vykurovacie rúrky s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316 pri výkonovej hustote > 5 W/cm 2 vrcholová drsnosť (Rz) vnútorného priemeru ovplyvňuje pravidelnosť kontaktného odporu s MgO izolačnou vrstvou. Hodnoty Rz nad 10 až 12 µm spôsobujú lokálne horúce miesta s teplotnými zmenami o 25 až 70 stupňov a znižujú životnosť drôtu o 40 až 60 % v porovnaní s hadičkami s hladkým otvorom{10}. Pri objednávaní 316 puzdier pre aplikácie s vysokým-výkonom alebo dlhou{14}životnosťou musia inžinieri špecifikovať kritérium maximálneho vnútorného priemeru Rz (napr.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15 000 hodín), elektrolyticky leštený vývrt (Rz<6 µm) is recommended.