Која је максимална дозвољена дебљина омотача за 316 цевастих грејача од нерђајућег челика са ребрима у протоку ваздуха велике-брзине (10-25 м/с)?

Основни проблем{0}}за грејаче ваздуха са принудном конвекцијом

Ребрасти цевасти грејачи од нерђајућег челика 316 се често користе у каналским грејачима, јединицама за руковање ваздухом и пећима за сушење, где корозивне хемикалије у ваздуху, као што су слани спреј, разблажене киселине или влажни индустријски издувни гасови, захтевају отпорност на корозију аустенитног челика који садржи молибден{1}}. Употреба пераја значајно повећава површину за пренос топлоте; без обзира на то, дебљина омотача испод пераја је важан параметар дизајна. Већи зидови пружају бољу отпорност на ерозиону{4}}корозију и механичка напрезања која су резултат вибрација које ствара проток при великој брзини протока ваздуха (10-25 м/с). Али, сваки додатни милиметар дебљине доприноси топлотном отпору од отпорне жице до корена пераја, чиме се смањује укупна топлотна снага и повећава температура омотача. Ова студија израчунава граничну дебљину зида ребрастих грејача од нерђајућег челика 316 за принудни проток ваздуха где су топлотне границе прекорачене што доводи до прегревања, повећане корозије и раног квара прикључака ребара.

Механички интегритет и ерозија-Корозија у ваздуху велике брзине

316 stainless steel will erode-corrode measurably at air velocities >10 м/сек носећи суспендоване честице (прашину, кристале соли или процесне чврсте материје). Пасивни филм се континуирано троши, а основни метал се уклања брзином од 0,02 до 0,10 мм годишње у зависности од оптерећења честицама и угла удара. За грејач који треба да ради 40.000 сати (око 5 година непрекидног рада), зид од 1,2 мм би изгубио 0,1-0,5 мм, можда мање од 1,0 мм. Ово је обично добро за ваздушне системе ниског притиска. Међутим, већа механичка брига су вибрације изазване протоком{17}}. Ребрасте цеви имају широку пројектовану површину у односу на проток ваздуха и при 15-25м/с изливање вртлога може да изазове наизменична напрезања која доводе до пуцања од замора на споју пера за плашт или на фиксним крајевима цеви. Заморни век цеви са танким зидовима је знатно краћи него код дебље цеви јер је амплитуда наизменичног напона за дату деформацију обрнуто повезана са дебљином зида. За цев спољашњег пречника 12 мм и распона без ослонца од 500 мм у протоку ваздуха од 20 м/с, израчунати наизменични напон савијања је реда величине 35 МПа за зид од 1,2 мм и само 18 МПа за зид од 2,4 мм – смањење за фактор два. Граница издржљивости за жарени нерђајући челик 316 је око 240МПа, стога су обе вредности сигурне. Међутим, концентрације напона на завареним ребрима или ваљаним спојевима могу повећати локална напрезања за факторе од 3-5. У таквим случајевима дебљи зид је важна сигурносна граница против појаве заморних пукотина. Механички интегритет има минималну дебљину, а не максималну. Што је дебљи, то је боље за отпорност на замор и ерозију.

Термичка отпорност и ограничење прегревања

Топлотна казна због дебелих зидова код грејача са ребрима је гора него код грејача са течним урањањем због знатно нижег коефицијента конвективног преноса топлоте (обично 50-200 В/м2К наспрам 500-5000 В/м2К за течности). Укупним топлотним отпором доминира ваздушни{22}}гранични слој, иако је отпор омотача и даље важан. У цеви са ребрима топлота мора да се спроводи кроз омотач радијално до основе пераја. Дебљина омотача је повећана са 1,2 мм на 2,4 мм, удвостручујући дужину проводног канала. Топлотна проводљивост нерђајућег челика 316 на 100 степени је 16,3 В/м·К. Додатни топлотни отпор по мм дебљине је око 0,0037 м 2 К/В. Коефицијент конвекције за ваздух при 15 м/с је 120 В/м 2 К, а отпор на ваздушној страни је 0,0083 м 2 К/В. Повећање дебљине зида за 1,2 мм повећава укупни отпор за скоро 45 %, док смањује производњу топлоте за око 30 % при истој температури плашта. Али што је још важније, за дати улаз електричне енергије, дебљи зид захтева повећање температуре отпорне жице. Максимална температура жице за изолацију од магнезијум оксида (унутрашњи диелектрик) је генерално 800-850 степени. Рад жице изнад ове границе ће узроковати деградацију изолације и превремени квар грејача. Дакле, постоји максимална дебљина омотача изнад које унутрашња температура жице није одржива при потребној густини снаге. За типичан ребрасти грејач од нерђајућег челика 316 са густином у ватима (на основу површине ребара) од 3-5 В/цм2 у 20 м/с ваздуха на 50 степени улаза, максимална дозвољена дебљина омотача је око 2,0-2,2 мм тако да се жица може одржавати испод 800 степени. Изнад ове количине грејач се мора смањити, што значи дужи или већи низ грејача да би се постигао исти пораст температуре ваздуха.

Сценарио-Водич за избор заснован на -Сценарију - протока ваздуха велике брзине

Табела испод даје препоруке за максималну дебљину омотача за цевне грејаче од нерђајућег челика 316 са ребрима у систему принудног ваздуха, на основу брзине ваздуха, оптерећења честица и потребне густине снаге.

Радни услови и густина снаге Механички и термички компромиси Максимална дозвољена дебљина зида
Чист ваздух (без честица) 10-15 м/с 4 В/цм2 Повремени рад 1,5 мм Ерозија безначајна. Стрес од умора је низак. Танак зид омогућава максималан пренос топлоте и одржава температуру жице знатно испод 800 о Ц. Стандардна дебљина цеви са ребрима.
Слани спреј или влажан кисели ваздух, 15-20 м/с, 3,5 В/цм², континуирани рад 1,8-2,0 мм Стопа корозије-ерозије 0,03-0,05 мм/год. 2.0 мм 40.000 сати Дозвољена ерозија 1,2-2,0 мм преостала температура 1,2-2,0 мм 70 степени Ви-ре. Проверите термалном симулацијом.
Ваздух напуњен честицама (прашина, влакна), 20-25 м/с, 3 В/цм2, велика опасност од вибрација 2,2 мм Брзина ерозије до 0,10 мм/годишње. 50 % у односу на. 1.2 мм дебљина зида минимизира наизменични замор напрезања. Мора ограничити густину у ватима да би се осигурала температура жице<800 C. Expect 25-35 % decreased heat output per tube.
Very high velocity (>25 м/сец) или континуирано ударање честица Не препоручује се за дизајн са ребрима Ребра су хватачи честица, брзо се разграђују. Пређите на голи цевасти грејач са дебљим зидом (2,5-3,0 мм) или керамичком заштитом. Неадекватна геометрија ребара.
Чист ваздух, мала брзина (5-10 м/с), било која густина снаге 1,2-1,5 мм Нема ерозије, проблема са замором. Тањи зид даје бржи одговор. Дебљине веће од 1,5 мм троше материјал и нижу ефикасност без икаквог добитка.
Додатни фактори дизајна комплементарни дебљини зида

Код загревања ваздуха великом брзином постоји веома јака интеракција дебљине зида са дизајном пераја, начином причвршћивања и распоредом система. Прво, причвршћивање ребара – лемљена или-заварена ребра са високом фреквенцијом обезбеђују већи пренос топлоте од механички проширених ребара, а омотач може да буде нешто дебљи без прекорачења ограничења температуре жице. Друго, густина ребара - која смањује нагиб ребара (мањи број ребара по метру) смањује површину преноса топлоте, али такође смањује пад притиска и побуду вибрације. Мања густина пераја омогућава дебљи омотач за дату температуру жице. Треће, филтрирање улазног ваздуха - уклањање честица веће од 10 µм смањује стопе ерозије за 70-90%, омогућавајући употребу тањих, термички ефикаснијих зидова. Четврто, размак између носача цеви - Смањење распона без ослонца са 600 мм на 300 мм смањује амплитуде вибрација изазваних протоком за фактор осам, надокнађујући корист од замора дебелих зидова. Коначно, тврдоћа материјала - која одређује хладно вучени нерђајући челик 316 (већа граница попуштања од жареног) повећава отпорност на ерозију без повећања дебљине.

Закључак: Одређивање максималне дозвољене дебљине за ваздушни саобраћај

Избор дебљине омотача за цевне грејаче од нерђајућег челика 316 са ребрима у протоку ваздуха великом брзином представља компромис између два супротна ограничења. Механичка издржљивост захтева дебљи зид да издржи ерозију и замор, док термичка ограничења намећу максималну дебљину изнад које унутрашње температуре жице неће бити безбедне. Изводљиви максимум за већину индустријских апликација принудног ваздуха при 15–20 м/с са благим оптерећењем честицама је 1,8–2,0 мм. Ово обезбеђује довољну толеранцију на ерозију и тампон замора док одржава температуру жице унутар границе од 800 степени за изолацију од магнезијум оксида. Уопштено говорећи, ребрасти грејачи нису погодни за брзине ваздуха веће од 25м/с или тешке услове оптерећења честицама без обзира на дебљину зида и пројектант треба да користи голе цевасте грејаче са заштитним премазима или другим материјалима. Када специфицирате, увек наведите брзину ваздуха, предвиђену концентрацију честица, густину ребара и максималну дозвољену температуру жице. Ово мења основну спецификацију дебљине зида у потпуну процену компатибилности ваздуха великом брзином која директно корелира избор димензија са механичком поузданошћу и термичком безбедношћу.