Који максимални дозвољени топлотни ток при температури омотача од 400 степени у ваздуху спречава прекомерно ломљење оксида и губитак метала из 316 цеви грејача од нерђајућег челика након 10.000 сати

Топлотни ток-Ограничени режим оксидације за дуготрајно-излагање ваздуху

За 316 електричних грејних цеви у кућишту од нерђајућег челика које раде на температури омотача од 400 степени у ваздуху, што је уобичајена ситуација за индустријске грејаче ваздуха, пећнице и каналске грејаче, примењени топлотни ток (В/цм2) контролише и темпо раста оксида и тенденцију распадања каменца. Док је вршна температура омотача често главно ограничење дизајна, топлотни ток независно диктира топлотни градијент преко оксидног слоја и резултујућа топлотна напрезања која доводе до љуштења. Оксид на 316 на 400 степени је углавном Цр₂О₃ са нешто Фе₂О₃ и генерално је заштитни. Међутим, за топлотне флуксове изнад 6 В/цм2, температурни градијент преко оксидног слоја (обично дебљине 10-50 µм) ствара напрезања већа од јачине адхезије оксид-метал и доводи до периодичног љуштења са повећаним губитком метала. Љуштење оксида је занемарљиво испод 3 В/цм², а губитак метала је<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Како топлотни ток изазива ломљење оксида

Када је омотач 316 изложен ваздуху на температури површине од 400 степени, оксидна скала се повећава брзином која зависи од температуре површине и времена. Међутим, топлотни ток (брзина преноса топлоте кроз зид омотача) изазива температурну разлику у контакту оксида-метала. Спољна површина оксидног слоја је на номиналној температури омотача (400 степени), а оксидни{6}}метални контакт је нешто хладнији због топлотног отпора оксида. Величина градијента је пропорционална слоју оксида и његовој топлотној проводљивости (~3–5 В/м·К за Цр2О3). При ниским топлотним токовима (<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 В/цм2), пад температуре може бити 5-15 степени, тако да је оксид под притиском када расте. Када се охлади (грејач се искључује), оксид се скупља више од метала (различити коефицијенти топлотног ширења) изазивајући затезна напрезања која изазивају љуштење.

Квантификација топлотног флукса и ломљења оксида на 400 оЦ

Испитивање цикличне оксидације (укупно 10.000 сати, циклуси од 1 сата на температури, 30 минута принудног хлађења ваздухом до 100 степени) цеви од нерђајућег челика 316 на температури омотача од 400 степени са различитим топлотним токовима (контролисаним променљивом дебљином зида и унутрашњом температуром жице) утврдило је следећу стопу распадања и губитка метала.

Топлотни ток (В/цм 2 ) Дебљина оксида након 10.000 сати (μм) Почетак љуштења (циклуси до првог одвајања) Догађаји распадања / 1000 циклуса Укупан губитак метала (µм) После 10.000 сати Дебљина преосталог зида (од 1,5 мм) Рез.<2 8-12 >10,000 (без ломљења) 0 2-5 1,495-1,498 Да 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 Неприхватљиво
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Утицај дебљине омотача на дозвољени топлотни ток

За дату излазну снагу, топлотни флукс је мањи ако су зидови дебљи, јер је спољашња површина већа. За два грејача исте снаге, дебљи омотач (већи ОД) има мањи топлотни ток. Табела испод илуструје максимални дозвољени топлотни ток за различите дебљине зида за животни век од 10.000 сати са<20 μm metal loss.

Спољни пречник омотача (мм) Дебљина зида (мм) Макс. Снага за живот од 10.000 сати на 400 степени (еквивалентно В/цм²)Максимални топлотни ток (В/цм2) за<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 В/цм дужина 4,0 Компактни грејачи мале{2}}
10.0 1.2 70 В/цм дужина 4,5 Општа намена 10.0 1.5 85 В/цм дужина 5,0 Стандардна индустријска 12.0 1.5 100 В/цм дужина 5,5 Умерена снага
120 В/цм 2.0 12.0 6.0 Велика снага, дуг животни век
14.0 2.0 150 В по цм дужине 6,5 Продужени животни век
200 В по цм дужине 7,0 Максимални век трајања (са надоградњом легуре) 16.0 2.5
Практичне смернице за дизајн грејача ваздуха од 400 степени

За обложене грејаче ваздуха од челика 316 који раде на температури плашта од 400 степени, следећа ограничења топлотног флукса ће резултирати радним веком од 10 000 сати са прихватљивим губитком метала.

Жељени радни век (сати) Максимални топлотни флукс (В/цм2) Губитак метала (µм) Препоручене димензије омотача 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)
Теренска дијагноза ломљења услед топлотног флукса

Љуштење оксида услед високог топлотног флукса изазива изразито храпавост и стањивање површине 316 грејача који ради 5.000-10.000 сати на ваздуху на 400 степени. Оксид на омотачу није непрекидан слој, већ дебела сломљена љуска испресецана изложеним металом где је недавно дошло до ломљења. Изломљени делови могу имати плитке, кружне удубљења на металној површини. Пречник омотача ће се мерити микрометром да би се показало локално смањење од 0,1 до 0,3 мм у односу на првобитну димензију. За такве грејаче, смањење протока топлоте за 30-40% (повећањем површине или смањењем снаге) продужиће животни век на циљаних 10.000 сати.

Закључци: Постављање граница топлотног флукса за дуге грејаче ваздуха

За 316 грејача у кућишту од нерђајућег челика који раде на ваздуху на 400 степени, максимални топлотни флукс дозвољен за 10.000 сати живота са губитком метала од<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.