Како пречник спирале-према-однос пречника жице уграђеног отпорног намотаја у 316 обложених грејача контролише локализовано прегревање на интерфејсу за подршку{3}} завојнице

Геометријски параметар који контролише униформност унутрашњег преноса топлоте

За електричне грејне цеви умотане у нерђајући челик 316, унутрашња отпорна жица је нормално увијена у спирални намотај да би се обезбедила жељена дужина отпора у малом омотачу. Геометрија спирале је одређена пречником хеликса (Д_хелик) и пречником жице (д_вире). Однос Д_хелик/д_вире-обично од 3 до 10-директно одређује образац контакта између намотаја и унутрашњег зида омотача 316 (или изолационог слоја МгО). Ако је овај однос пренизак (затегнута спирала, Д_хелик/д_вире < 4), узастопни завоји намотаја су уско распоређени и локализоване вруће тачке се јављају тамо где калем додирује МгО или омотач. Ако је однос превисок (лабав хеликс, Д_хелик/д_вире > 8), калем можда неће имати уједначен контакт и могу се развити слободни распони који ограничавају пренос топлоте и прегревају жицу. Идеалан однос Д_хелик/д_вире за хомоген пренос топлоте и за највећи животни век завојнице је између 5 и 7. Веза између односа спирале, расподеле температуре и ризика од прегоревања грејача је квантификована у овом чланку.

Механизам за пренос топлоте на местима где се калемови додирују

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 г/цм3). За мали однос спирале (затегнута спирала) завојнице су постављене близу једна другој, а размаци између завоја су мали. Међутим, сваки завој ствара топлотну сенку на омотачу -, област непосредно испод завоја прима велики топлотни ток, док област између завоја прима мањи флукс. Ово доводи до обимног температурног опсега на унутрашњем зиду омотача од 20-50 степени, узрокујући неуједначено топлотно ширење и локалне вруће тачке на отпорној жици на местима максималног уноса топлоте.

Квантификовани однос између односа спирале и уједначености температуре.

316 обложених грејача (10 мм ОД, 1,5 мм зид, 0,50 мм НиЦр жица) са различитим односима Д_хелик/д_вире. Оптимални однос за уједначеност температуре одређен је експерименталном валидацијом коришћењем уграђених термопарова.

Однос пречника спирале и пречника жице (Д_хелик/д_вире) Размак завоја (мм) Макс. варијација температуре жице дуж намотаја (степен) Максимална варијација температуре омотача (степен) Фактор вруће тачке (у односу на равномерно загревање) Време до прегоревања жице при 8 В/цм2 (сати) {5}× до (сати) 500-1.000 Не 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 Маргинално 4.5 1.5-2.0 50-80 30-45 1.3× 4.000-7.000 Прихватљиво 5.0 2.0-2.5 30-50 20-30 1.1× 7.000-12.000 Препоручени бр.
5.5 2.5-3.0 20-35 15-25 1.05× 10.000-15.000 Препоручено 6.0 3.0-4.0 15-25 10-20 1.02× 12.000-18.000 Препоручено
6.5 4.0-5.0 10-20 8-15 1.01× 15.000-20.000 Прихватљиво
7.0 5.0-6.0 8-15 5-10 1.00× 18.000-22.000 Прихватљиво (мала густина снаге)
8.0 >6.0 15-30 (огиб завојнице) 10-20 1.05× (тачке нагиба) 10.000-15.000 Маргинално (ризик од колапса завојнице)
Зависност оптималног односа спирале од густине снаге

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 В/цм2) неадекватан однос спирале доводи до локализованог прегревања, што постаје кључно јер се идеални опсег сужава на 5,5-6,5. Следећа табела даје препоручене односе спирале за различите густине снаге и очекивани радни век.

Густина снаге (В/цм^2) Жељени животни век (сати) Однос Д_хелик/д_вире Препоручени Минимални однос Максимални однос<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 Било која 5.5-6.0 5.2 6.2 практична спецификација за хеликс геометрију

Потрошачи који наводе 316 грејача у кућишту обично се не налазе у стандардним техничким листовима. Међутим, препоручује се следећи језик спецификације за апликације велике-снаге-густине или високе{4}}поузданости: „Хелик жице отпора треба да има однос пречника спирале-према-однос пречника жице (Д_хелик/д_вире) између 5,0 и 6,5, а ово мерење ће се верификовати уједначеним мерењем серије узорка. са размаком од центра-до-центра од 2,0 до 3,5 пута већег пречника жице." Произвођачи такође треба да обезбеде да процес сабијања МгО не изобличи спиралу. Претерано-смањење притиска може да уруши спиралу, смањујући однос Д_хелик/д_вире на 3-4 у локализованим областима, стварајући скривене вруће тачке.

Теренска дијагноза квара хеликс односа

За квар грејача са неоптималним односом спирале, неисправна отпорна жица има много врућих тачака, а не једну тачку сагоревања. Жица се можда истопила или је била у великој мери оксидована на местима контакта где су завоји намотаја додиривали МгО или омотач, док суседни делови не показују оштећења. Унутрашња површина омотача 316 може бити тамно обезбојена у узорку са размаком оксидације од 1-2 мм ширине, што одговара размаку између трака завоја калема у интервалима једнаким кораку завоја. Ако је однос спирале био превисок (лабав хеликс), образац промене боје карактеришу широко раздвојене траке са малом оксидацијом на сваком контактном месту. Превисок однос (лабав хеликс) може довести до савијања жице између тачака подршке и прегоревања на средини савијања. За сваки грејач који има необјашњиво прегоревање без икаквог спољашњег узрока (скале, корозија, сува ватра) препоручљиво је извршити деструктивно испитивање геометрије намотаја.

Закључак: Дефинисање односа спирале за равномерно загревање и дуг животни век

Однос пречника спирале и пречника жице (Д_хелик/д_вире) је важан параметар дизајна за грејаче у кућишту 316 од нерђајућег челика, који одређује уједначеност преноса топлоте са отпорне жице на омотач. Односи испод 4,0 узрокују локализоване вруће тачке на местима где се калем додирује, смањујући век трајања жице за фактор 3-5. Однос изнад 7,0 доводи до ризика од пропадања завојнице и губитка једноликог контакта. За већину примена, идеалан однос од 5,0-6,5 постиже равнотежу између хомогености преноса топлоте и стабилности намотаја. Тамо где је потребно 316 омотача за високу густину снаге или дуг животни век, захтеви за геометрију спирале треба да буду укључени у спецификацију куповине. Архитектура дата овде повезује хелик однос са температурном варијацијом и временом сагоревања, омогућавајући купцу да изабере 316 грејача са плаштом са унутрашњим дизајном намотаја који оптимизују и излазну снагу и радни век.