Πώς συγκρίνεται μια θήκη από ανοξείδωτο χάλυβα 1,0 χιλιοστών 316 με μια θήκη 2,0 χιλιοστών για την πρόληψη βλάβης από ξηρό-εγκαύματα κατά τη διάρκεια τυχαίας απώλειας υγρής κάλυψης σε θερμαντήρες κατακόρυφης βύθισης;

Η τυχαία απώλεια υγρής κάλυψης-ξηρή-καύση είναι μια από τις πιο διαδεδομένες και καταστροφικές αιτίες αστοχίας για θερμαντήρες κάθετης εμβάπτισης που είναι εγκατεστημένοι σε δεξαμενές, κάρτερ και δοχεία διεργασίας για μηχανικούς ασφάλειας εγκαταστάσεων και ειδικούς εξοπλισμού. Όταν η στάθμη του υγρού πέσει κάτω από τη θερμαινόμενη περιοχή της θήκης, η θερμότητα που παρέχεται στο υγρό διαχέεται τώρα στο περίβλημα και στο σύρμα αντίστασης. Η ταχεία άνοδος της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την οξείδωση του σύρματος, την υποβάθμιση της μόνωσης MgO και τελικά τη ρήξη του περιβλήματος ή την ηλεκτρική βλάβη. Το πάχος του τοιχώματος της θήκης από ανοξείδωτο ατσάλι 316 είναι μια σημαντική παράμετρος για το χρόνο ζημιάς και την υψηλότερη θερμοκρασία σε ένα ξηρό-εγκαύμα. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια ποσοτική σύγκριση της απόδοσης ξηρής-καύσης για θήκες τοίχου 1,0 mm και 2,0 mm υπό ίση ρύθμιση ισχύος και έκθεσης για συστάσεις μετριασμού κινδύνου σε κρίσιμες εφαρμογές.

Θερμική απόκριση στο ξηρό-Κάψιμο ως συνάρτηση του πάχους του τοίχου
Εάν ο θερμαντήρας κατακόρυφης εμβάπτισης -βυθιστεί με υγρό, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στην επιφάνεια του περιβλήματος θα μειωθεί από περίπου 5.000-10.000 W/m2-K σε βραστό νερό ή 500-1.000 W/m2-K σε περίπου 5000 W/m2-K σε αναδευόμενο αέρα περίπου σε 500 W/m2-K σε περίπου 500 W/m2-K σε αναδευόμενο λάδι. Αυτή η 100πλάσια μείωση απαιτεί η θερμοκρασία της επιφάνειας του περιβλήματος να αυξηθεί σημαντικά για να διασκορπιστεί η ίδια ροή θερμότητας. 10 W/cm2 (100.000 W/m2) θερμαντήρα στον αέρα με φυσικό συντελεστή μεταφοράς 50 W/m2-K, η θερμοκρασία επιφάνειας σταθερής κατάστασης θα ήταν 100.000} βαθμός περιβάλλοντος πάνω από το σημείο τήξης, πάνω από 0{0{0{0 316 ανοξείδωτο ατσάλι. Στην πραγματικότητα ο θερμαντήρας δεν φτάνει ποτέ σε ισορροπία. Αντίθετα, θερμαίνεται μέχρι να σπάσει το σύρμα αντίστασης ή να ξεκινήσει μια θερμική αποκοπή. Η θερμική μάζα του περιβλήματος και των εσωτερικών μερών ελέγχει τον ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας στο ξηρό έγκαυμα. Η θήκη τοίχου 1,0 mm έχει σχεδόν τη μισή θερμική μάζα ανά μονάδα επιφάνειας από τη θήκη 2,0 mm. Ως εκ τούτου, η θερμοκρασία του αυξάνεται περίπου δύο φορές πιο γρήγορα στα πρώτα δευτερόλεπτα της ξηρής καύσης. Πειραματικά δεδομένα για περιβλήματα OD 10 mm στα 10 W/cm2 σε ακίνητο αέρα υποδεικνύουν ότι ένας τοίχος 1,0 mm επιτυγχάνει 400 μοίρες στην εξωτερική επιφάνεια σε 8 δευτερόλεπτα, ενώ ένας τοίχος 2,0 mm απαιτεί 16 δευτερόλεπτα για να φτάσει τις 400 μοίρες. Το περίβλημα των 2,0 mm, ωστόσο, συγκρατεί περισσότερη θερμότητα και ως εκ τούτου παραμένει πάνω από τις κρίσιμες θερμοκρασίες περισσότερο όταν αφαιρείται η τροφοδοσία.

Σύγκριση μέγιστης θερμοκρασίας και χρόνου έως αστοχίας
Η κρίσιμη θερμοκρασία αστοχίας ενός θερμαντήρα 316 κλειστού τύπου διέπεται από το όριο οξείδωσης του εσωτερικού σύρματος αντίστασης νικελίου-χρωμίου, περίπου 800-850 μοίρες για συνεχή λειτουργία. Χάρη στο μονωτικό στρώμα MgO, η θερμοκρασία του σύρματος κατά την ξηρή-καύση είναι περίπου 50-100 βαθμούς μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας του περιβλήματος. Η θερμοκρασία του σύρματος φτάνει τους 800 βαθμούς και η γρήγορη οξείδωση ξεκινά στους 700 βαθμούς στην εσωτερική επιφάνεια του περιβλήματος. Ο χρόνος για να επιτευχθεί αυτό το όριο είναι συνάρτηση του πάχους του τοιχώματος. Για τοίχο 1,0 mm, η εσωτερική επιφάνεια του περιβλήματος φτάνει τους 700 o C μετά από περίπου 25 δευτερόλεπτα στα 10 W/cm 2 σε ακίνητο αέρα. Ο συνολικός χρόνος για να ανοίξει η βλάβη του κυκλώματος του καλωδίου είναι περίπου 35-45 δευτερόλεπτα. Υπό τις ίδιες συνθήκες, αλλά με πάχος τοιχώματος 2,0 mm, η εσωτερική επιφάνεια του περιβλήματος φτάνει τις 700 μοίρες μετά από περίπου 55 sec και η αστοχία του σύρματος εμφανίζεται μεταξύ 75 και 90 sec. Ο χρόνος επιβίωσης σε ξηρό έγκαυμα είναι 2 έως 2,5 φορές μεγαλύτερος με το παχύτερο κάλυμμα. Αυτή η διάκριση είναι αρκετά σημαντική για εφαρμογές όπου η απόκριση ενός θερμικού διακόπτη ή διακόπτη στάθμης μπορεί να διαρκέσει αρκετά δευτερόλεπτα. Ένα περίβλημα 1,0 mm μπορεί να αποτύχει πριν ανοίξει ένας μηχανικός θερμοστάτης αργής απόκρισης, όπου ένα περίβλημα 2,0 mm έχει αρκετή θερμική αδράνεια για να γεφυρώσει το χρόνο αντίδρασης.

Σύγκριση του Dry{0}}Burn Survival Matrix
Ο παρακάτω πίνακας δίνει μια άμεση σύγκριση των επιδόσεων θηκών 1,0 mm και 2,0 mm 316 για ξηρά-εγκαύματα σε διάφορες ρυθμίσεις λειτουργίας. Οι τιμές υποδηλώνουν κατακόρυφο βυθιζόμενο θερμαντήρα σε ήρεμο αέρα μετά από απώλεια υγρού και χωρίς ενεργή ψύξη ή εξαναγκασμένη μεταφορά.

Πυκνότητα Watt Dry-Burn Operating Sheath Πάχος τοιχώματος Χρόνος έως την εξωτερική επιφάνεια στις 400 μοίρες Χρόνος έως την εσωτερική επιφάνεια στις 700 μοίρες Συνολικός χρόνος για τη βλάβη σύρματος Συνιστώμενη στρατηγική προστασίας
5 W/cm2 1.0 mm 12 δευτερόλεπτα 40 δευτερόλεπτα 55 – 70 δευτερόλεπτα Θερμική διακοπή γρήγορης δράσης ( < 30 δευτερόλεπτα )
5 W/cm² 2,0 mm 24 δευτερόλεπτα 85 δευτερόλεπτα 110 - 140 δευτερόλεπτα Τυπική θερμική αποκοπή αποδεκτή 10 W/cm² 1,0 mm 8 δευτερόλεπτα 25 δευτερόλεπτα 35 - 45 δευτερόλεπτα Απαιτείται απόκριση ηλεκτρονικού διακόπτη στάθμης 5 δευτερολέπτων
10 W/cm2 2.0 mm 16 sec. 55 sec. 75 – 90 sec. Τυπική θερμική διακοπή ή διακόπτης στάθμης αποδεκτός 15 W/cm2 1.0 mm 5 sec. 16 sec. 22 – 30 sec. Περιττή προστασία υποχρεωτική. υψηλού κινδύνου 15 W/cm2 2.0 mm 11 sec. 38 sec. 50 – 65 sec. Συνιστώμενη ταχεία θερμική διακοπή 20 W/cm2 1.0 mm 4 sec. 12 sec. 17 – 22 sec. Δεν συνιστάται, οποιαδήποτε προστασία θα είναι πιθανότατα πολύ αργή
Απαιτείται ηλεκτρονική προστασία αντίδρασης 20 W/cm² 2,0 mm 8 sec 28 sec 40 – 50 sec2 δευτερολέπτων
Για εφαρμογές με πυκνότητες watt μεγαλύτερες από 15 W/cm 2 και για λεπτά τοιχώματα μικρότερα από 1,2 mm, ο χρόνος επιβίωσης σε ξηρό-έγκαυμα είναι τόσο σύντομος που μόνο η ηλεκτρονική προστασία με δευτερεύουσα-δεύτερη απόκριση μπορεί να αποτρέψει ζημιές, όπως ένα θερμοστοιχείο που εμφυτεύεται στη θήκη που συνδέεται με μια σταθερή κατάσταση{{5}. Οι μηχανικοί θερμοστάτες και οι θερμικές ασφάλειες έχουν χρόνους απόκρισης 5-15 δευτερολέπτων που είναι πολύ έξω από αυτό το παράθυρο επιβίωσης.

Αλλαγές σχεδίασης για αύξηση της ανοχής σε ξηρά-καύση
Τρεις αλλαγές σχεδίασης μπορούν να αυξήσουν τον χρόνο επιβίωσης όπου η θερμική απόκριση απαιτεί θήκη 316 με λεπτό τοίχωμα, ωστόσο υπάρχει κίνδυνος ξηρού εγκαύματος. Ο καλύτερος και ευκολότερος τρόπος είναι να προσθέσετε μια ξεχωριστή διακοπή χαμηλής κατανάλωσης νερού που θα απενεργοποιεί την ηλεκτρική ενέργεια όταν η στάθμη του υγρού πέσει κάτω από το θερμαινόμενο μέρος. Ένας αισθητήρας αγωγιμότητας ή ένας πλωτηροδιακόπτης, που βρίσκεται στην ελάχιστη στάθμη υγρού, παρέχει προστασία πριν εκτεθεί ο θερμαντήρας. Η δεύτερη αλλαγή είναι να χαμηλώσετε την πυκνότητα watt στο πάνω μέρος του καλοριφέρ. Η σχεδίαση με λεπτυνόμενη πυκνότητα watt - λιγότερη ισχύς ανά μονάδα μήκους στο επάνω μέρος όπου η έκθεση είναι πιθανότατα - ενισχύει τον χρόνο επιβίωσης κατά την ξηρή-καύση χωρίς να θυσιάζεται η συνολική ισχύς του θερμαντήρα. Η τελική αλλαγή είναι να τοποθετήσετε ένα θερμοστοιχείο απευθείας στην εσωτερική επιφάνεια της θήκης 316. Αυτός ο αισθητήρας μπορεί να ανιχνεύσει μια γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας ξηρού{11}}καψίματος σε 1-2 δευτερόλεπτα, έτσι ώστε ένα σύστημα ελέγχου να μπορεί να απενεργοποιήσει την τροφοδοσία πριν το καλώδιο φτάσει σε μια κρίσιμη θερμοκρασία. Αυτός είναι ο τυπικός τρόπος με τον οποίο εφαρμόζονται θερμαντήρες υψηλής αξιοπιστίας σε σημαντικές λειτουργίες. Για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές, μια θήκη τοίχου 2,0 mm θα προσφέρει μια απλή και ανθεκτική προστασία από το ξηρό{18}καύσιμο. Η αυξημένη περίοδος επιβίωσης επιτρέπει στα κανονικά συστήματα προστασίας να λειτουργούν με συνέπεια και στον παχύτερο τοίχωμα να επιβιώνει από περιστασιακά σύντομα ξηρά{20}}περιστατικά εγκαυμάτων χωρίς μόνιμη βλάβη. Οι μηχανικοί θα πρέπει να απαιτούν καθορισμένο ασφαλές πάχος τοιχώματος από τον κατασκευαστή και θα πρέπει να περιγράφουν τον αναμενόμενο χρόνο αντίδρασης προστασίας από ξηρά{22}}εγκαύματα. Εάν ένας προμηθευτής δεν μπορεί να δώσει αυτήν τη μελέτη, μπορεί να μην κατανοήσει πλήρως τη θερμική δυναμική των περιστάσεων ξηρών εγκαυμάτων. Το κόστος αύξησης του πάχους τοιχώματος από 1,0 mm σε 2,0 mm είναι μικρό σε σύγκριση με το κόστος της αστοχίας του θερμαντήρα που οδηγεί σε διακοπή της παραγωγής ή σε κίνδυνο πυρκαγιάς λόγω υπερθέρμανσης υλικών. Εάν δεν είστε σίγουροι, προτιμήστε τον παχύτερο τοίχο και πληρώστε το μικρό πρόστιμο στην απόδοση θερμότητας για τη σκληρότητα του ξηρού εγκαύματος.