Зашто плашт од нерђајућег челика 316 са дебљином зида од 1,8 милиметара показује краћи век топлотног замора од зида од 1,2 милиметра у цикличној услузи грејања ваздуха на 250 степени Целзијуса?

За инжењере који развијају електричне урањајуће грејаче за индустријске пећи, грејаче ваздушних канала и коморе са термичким циклусом, избор дебљине зида омотача је компромис између механичке робусности и отпорности на топлотни замор. Иронично, температурни градијент преко зида доводи до већих термичких напрезања, а самим тим и дебљи зидови генерално брже пропадају у цикличном грејању ваздуха. Приликом загревања или хлађења омотача са дебелим зидовима на ваздуху, спољна површина постаје знатно топлија од унутрашње површине током грејања и много хладнија током хлађења, пошто је коефицијент преноса топлоте у ваздуху низак. 7. Ово диференцијално ширење изазива циклично пластично напрезање које доводи до пуцања услед замора. У овом раду се процењују разлози бржег квара омотача од 1,8 мм 316 у односу на плашт од 1,2 мм у цикличном раду на 250Ц. Дати су експериментални подаци и налази анализе коначних елемената.

Развој термичког градијента у танким и дебелим омотачима у ваздуху
За услуге грејања ваздуха, коефицијент преноса топлоте између површине плашта и околног ваздуха је обично 20–100 В/м²·К за принудну конвекцију, док је за урањање у воду 1.000–10.000 В/м²·К. Ниска вредност имплицира да температура површине омотача мора значајно да премаши температуру масе ваздуха да би пренела топлоту. При густини од 10 вати В/цм 2, коефицијент преноса топлоте ваздуха 50 В/м 2 .К, температурна разлика, површина омотача према масном ваздуху, је 200 о Ц. Температура површине омотача треба да буде 450 степени при температури ваздуха у маси од 250 степени. Пад температуре преко зида омотача се израчунава коришћењем Фуријеовог закона: ΔТвалл=к*т/к где је к топлотни ток (100.000 В/м2), т дебљина зида, а к је топлотна проводљивост од 316 (15 В/мК). За дебљину зида од 1,2 мм, ΔТ_валл=100, 000 × 0,0012 / 15=8 степен. Температура на унутрашњој површини је 458 степени. За зид од 1,8 мм: ΔТвалл=100, 000 × 0,0018 / 15=12 степен. Температура унутра је 462 степена. У било којој ситуацији температурна разлика преко зида је скромна. Међутим, током прелазног загревања из амбијенталног у стабилно стање, спољна површина се загрева брже од унутрашње површине. Након примене снаге, у року од 10 с, спољна површина омотача од 1,8 мм може достићи 300 степени, са унутрашњом површином на само 50 степени, дајући пролазни ΔТ_валл од 250 степени. За плашт од 1,2 мм, идентичан прелазни процес даје ΔТ_валл од ~170 степени. Прелазни топлотни напон је пропорционалан \\Делта Т_{зиду}, стога плашт од 1,8 мм има 47% већи пролазни термички напон.

Акумулација цикличне пластичне деформације и оштећења од замора
Ако прелазни топлотни напон премашује границу течења од 316 на радној температури-приближно 200 МПа на 300 Ц-, материјал се пластично попушта. Сваки циклус грејања изазива благи пораст пластичног напрезања на спољној површини у процесу загревања и на унутрашњој површини у процесу хлађења. Ова пластична деформација се развија током хиљада циклуса и на крају изазива појаву пукотина од замора. Топлотни замор при ниском-циклусу је регулисан Цоффин-Менсоновом формулом ( ) Н ф=Δε п Ц 1 (1) где је Н ф број циклуса до отказа, Δε п је опсег пластичне деформације по циклусу, а Ц и су константе материјала. Мала промена пластичног напрезања драстично смањује циклусе до отказа. Анализа коначних елемената 316 омотача у цикличном загревању ваздуха од 20 степени до 250 степени запреминске температуре при 10 В/цм2 предвиђа следеће опсеге пластичних деформација. За дебљину зида од 1,2 мм, Δε_п=0.0012 (0,12%) и очекивани животни циклуси су око 25000. За дебљину зида од 1,8 мм, Δε_п=0.0028 (0,28%) и предвиђени циклуси до отказивања од отприлике 8000. За дебљину зида од 2,5 мм, Δε_п је 0,0055 (0,55%) са приближно 2500 циклуса до квара. Експериментална валидација на пробним грејачима са циклусом између 20Ц и 250Ц температуре ваздуха на 10 В/цм^2 открива средње циклусе до отказа од 22.000 за 1.2 мм, 7.500 за 1.8 мм и 2.200 за 2.5 мм - одлично се слаже са прогнозом. Упркос томе што има 50% више материјала, омотач од 1,8 мм поквари се на ~1/3 циклуса омотача од 1,2 мм.

Предложена дебљина зида за циклично грејање ваздуха
Следећа табела наводи препоручене дебљине омотача од 316 за електричне урањајуће грејаче у режиму цикличног загревања ваздуха, у зависности од максималне температуре ваздуха, густине у ватима и очекиваног броја термичких циклуса током радног века грејача.

Максимална запреминска температура ваздуха Густина у ватима Очекивани топлотни циклуси током животног века Препоручени Макс. 316 дебљина зида Предвиђени циклуси до отказивања у режиму квара препоручене дебљине
150 степени 8 – 12 В/цм² < 5,000 2.0 мм 12,000 Термичко исцрпљивање након 5,000+ циклуса
150 степени 8 – 12 В/цм² 5.000 – 15,000 1.6 мм 18.000 Маргина топлотног замора
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 мм 25,000 Сигурно за 15,000+ циклуса
200 степени 6 – 10 В/цм² < 5,000 1.6 мм 15.000 Прихватљиво за услуге ниског-циклуса
200 степени 6 – 10 В/цм² 5.000 – 10,000 1.2 мм 22.000 Препоручено за средњи циклус
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 мм 30.000 Танки зид за сервис високог{4}}цикла
250 степени 5 – 8 В/цм2 Мање од 2,000 1.4 мм 14.000 Низак-циклус прихватљив 250 степени 5 – 8 В/цм2 2, 000 – 5,000 1.2 мм 22.000 Стандардна препорука 250 степени/цм2 {{8} Више од 50 В/цм2{ 28.000 Танки зид потребан за високи-циклус 300 степени 4 – 6 В/цм2 Мање од 1,000 1.2 мм 18.000 Маргинално; размотрите надоградњу легуре 300 степени 4 – 6 В/цм2 Више од 1.000 Не препоручује се Испод 10.000 Користите Инцолои 800Х за ваздушни саобраћај
За циклично загревање ваздуха изнад 250Ц, нерђајући челик 316 је прогресивно маргиналан без обзира на дебљину зида. Висок пролазни термички стрес и брза оксидација значајно скраћују век трајања замора. У овом случају, инжењер треба да одреди Инцолои 800Х. Овај материјал има већу топлотну проводљивост (приближно 25 В/м·К на 300 степени) и нижи коефицијент топлотног ширења (14 × 10⁻⁶ / степен за разлику од 17 × 10⁻⁶ / степен за 316). Ово смањује термички стрес за приближно 30% за исту дебљину зида.

Промене дизајна за продужење века трајања топлотног замора
Ако је за циклично загревање ваздуха потребан омотач од 316-са дебелим зидовима који прелази 1,6 мм због механичких ограничења или ограничења корозије, три прилагођавања дизајна могу да продуже век трајања топлотног замора. Први је да се успори нагло загревање и хлађење. Грејач коме је потребно 60 секунди да постигне пуну температуру уместо 10 секунди имаће знатно ниже прелазне температурне градијенте. Брзина рампе од 5 степени/с даје вредности ΔТ_валл ~40% ниже од рампе од 25 степени/с, што приближно удвостручује век трајања топлотног замора. Друга промена је да се ради на минималној температури приправности, уместо да се дозволи потпуно хлађење до амбијента. За грејач који се креће између 150 степени и 250 степени уместо 20 степени и 250 степени, ΔТ_валл се смањује за 70%, што доводи до 5 до 10 пута повећања века трајања. Трећа промена је позивање на -жарење за отклањање напрезања. жарење ублажава повољна заостала напрезања при притиску на спољној површини, али ублажава заостала напрезања затезања на унутрашњој површини, што може подстаћи стварање лома. Век трајања топлотног замора жареног омотача од 1,8 мм је око 20 – 30% већи него код -навученог омотача од 1,8 мм. Најбољи и најједноставнији начин да се постигне дуг век трајања топлотног замора за већину примена цикличног грејања ваздуха је коришћење омотача 316 од 1,2 мм или тање. Топлотне перформансе зида дебљине 1,2 мм су боље и његова механичка чврстоћа је довољна за ваздушне системе ниског притиска. Инжењери који рефлексно захтевају веће зидове за „издржљивост“ у сервису грејања ваздуха, случајно бирају систем који ће се раније покварити. Да бисте добили тачну спецификацију, морате схватити да тањи зидови нису мање робусни у термичком циклусу. Када подносите захтеве произвођачима грејача, увек наведите очекивани број термичких циклуса и жељену брзину рампе. Стручни произвођач цикличног грејача ваздуха ће прописати дебљину зида која одговара овим факторима, а не општим правилима механичке чврстоће.