Која максимална дозвољена вршна храпавост (Рз) на унутрашњем пречнику 316 цеви омотача грејача спречава локализовано прегревање због варијације отпора контакта са изолационим слојем МгО

Скривена варијабла текстуре површине проврта у уједначености преноса топлоте

Завршна обрада унутрашњег пречника површине, односно храпавост врха (Рз, просечна максимална висина површинских врхова) 316 електричних грејних цеви умотаних од нерђајућег челика је критичан фактор за контролу контактног отпора између омотача и збијеног изолационог слоја од магнезијум оксида (МгО). За грубу унутрашњу површину са високим врховима (Рз > 10-15 µм), прах МгО се неуједначено збија: високи контактни притисак на врховима доводи до веће локалне топлотне проводљивости, док долине (са нижим контактним притиском или ваздушним празнинама) резултирају регионима веће топлотне отпорности. Настала флуктуација у преносу топлоте око обима и доле по оси може довести до локалног прегревања отпорне жице на врховима (где је екстракција топлоте најефикаснија) или у долинама (где се топлота акумулира). Када је Рз већи од 20 микрона, могу се појавити локалне температурне флуктуације од 50-100 степени Ц, смањујући век трајања жице за 2-5 пута. У овој студији, квантификована је корелација унутрашњег пречника Рз, уједначености контактног отпора и века трајања грејача.

Механизам варијације контактног отпора са текстуром површине

Топлотна проводљивост збијеног МгО праха није константа материјала, већ јако зависи од контактног притиска између МгО и омотача. На местима где унутрашња површина омотача има врхунац, локални контактни притисак је значајан (због заливања) и приморава кристале МгО у присан контакт са металом. У долини, где је површина најмање збијена, остављени су ваздушни празнини (топлотна проводљивост=0.03 В/м·К) који функционишу као топлотни изолатори. Пад температуре преко ваздушног јаза је 50-200 пута већи него преко чврсто збијеног МгО региона за сличан топлотни ток. Суштински параметар је храпавост врха Рз (висина од најниже долине до највишег врха) пошто најдубље долине стварају највећи топлотни отпор. Рз вредности унутрашњих пречника веће од 10-15 µм довешће до уочљивих врућих тачака.

Квантификована корелација између унутрашњег пречника Рз и уједначености температуре

Анализа коначних елемената, потврђена мерењима термопарова на 316 омотача (10 мм ОД, 1,5 мм зид, НиЦр жица), са различитим завршним обрадама површине унутрашњег пречника, утврдила је следеће везе између Рз, варијације температуре и века жице.

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 В/цм²<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
Утицај густине снаге на Рз осетљивост

Штетни ефекат високог Рз расте са повећањем густине снаге јер иста варијација топлотног отпора даје већи апсолутни пораст температуре.

Густина снаге (В/цм^2) Максимално дозвољени Рз за 10.000 сати трајања жице (ум) Максимално дозвољени Рз за век трајања жице од 5.000 сати (ум) Препоручена спецификација за стандардну услугу<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)
Завршна обрада: практична спецификација унутрашњег пречника

Ретко је да се површинска обрада унутрашњег пречника наведе у стандардним техничким листовима за купце који наводе 316 грејача са плаштом. Препоручени језик спецификације за апликације велике густине снаге или продуженог века је следећи:

Power Density >5 В/цм2 Циљни радни век Рз (µм) Макс. унутрашњи пречник Ра (µм) Макс. унутрашњи пречник Мфг Процес Захтевана метода верификације 20.000 сати<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
Теренска идентификација врућих тачака изазваних Рз

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 µм. Суседни делови (са преживелом жицом) имају нижи Рз. За такве неуспехе лек је постављање доње границе Рз за будуће куповине. Грејач се не може поправити.

Утицај завршне обраде унутрашњег пречника на збијање МгО

Чак и са добрим унутрашњим пречником Рз (<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. >Смањење од 18% осигурава да су чак и дубока корита напуњена МгО, али може оштетити отпорну жицу. Најбоље смањење затезања за дату завршну обраду унутрашњег пречника је:

Унутрашњи пречник Рз (µм) Препоручено минимално смањење притиска (%) Препоручено максимално смањење затезања (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Не препоручује се Н/А
ЗАКЉУЧАК: Дефиниција унутрашњег пречника Рз за грејаче велике снаге

За електричне грејне цеви са омотачем од нерђајућег челика 316 при густини снаге > 5 В/цм 2, храпавост врха (Рз) унутрашњег пречника утиче на правилност контактног отпора са МгО изолационим слојем. Вредности Рз изнад 10 до 12 µм изазивају локалне вруће тачке са променама температуре од 25 до 70 степени и смањују животни век жице за 40 до 60% у поређењу са цевима са глатким{10}}ивим отвором. Када наручују 316 омотача за апликације велике{13}}снаге или дуготрајне{14}}обе, инжењери морају специфицирати максимални унутрашњи пречник Рз критеријум (нпр.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15.000 сати), електрополирани отвор (Рз<6 µm) is recommended.