Πώς επηρεάζει το πάχος τοιχώματος του περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα 316 την κρίσιμη ροή θερμότητας και τον κίνδυνο εξάντλησης σε βυθισμένους ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης για εφαρμογές βρασμού νερού;

Για μηχανικούς διεργασιών που αναπτύσσουν ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης για εφαρμογές βραστού νερού--ηλεκτρικοί βραστήρες, γεννήτριες ατμού και βιομηχανικοί λέβητες, για παράδειγμα-- τα φαινόμενα της κρίσιμης ροής θερμότητας είναι ένα βασικό όριο στην απόδοση του θερμαντήρα. Το καθεστώς βρασμού μετατοπίζεται από τον βρασμό πυρηνικών σε βρασμό μεμβράνης όταν η ροή θερμότητας από το περίβλημα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 προς το περιβάλλον νερό υπερβαίνει μια τιμή κατωφλίου. Στο βρασμό μεμβράνης, ο ατμός σχηματίζει ένα συνεχές στρώμα στην επιφάνεια της θήκης και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας πέφτει δραστικά έτσι ώστε η θερμοκρασία του περιβλήματος να αυξάνεται γρήγορα. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται burnout, μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία του περιβλήματος εκατοντάδες βαθμούς σε δευτερόλεπτα, προκαλώντας οξείδωση του σύρματος αντίστασης, αστοχία της μόνωσης MgO ή ρήξη του περιβλήματος. Το πάχος του τοιχώματος του περιβλήματος 316 καθορίζει το μέγεθος της κρίσιμης ροής θερμότητας και τον χρόνο θερμικής αντίδρασης μετά την έναρξη του βρασμού του φιλμ. Αυτή η εργασία αξιολογεί τη σχέση μεταξύ του πάχους του τοιχώματος του περιβλήματος και του κινδύνου εξάντλησης και προσφέρει κριτήρια επιλογής για εφαρμογές βρασμού νερού κάτω από υψηλές ροές θερμότητας.

The Physics of Critical Heat Flux and Burnout in Sheaths of 316
Οι θέσεις πυρήνωσης στην επιφάνεια (θηκάρι 316) είναι οι θέσεις όπου σχηματίζονται φυσαλίδες ατμού. Οι φυσαλίδες διαχωρίζονται και ανεβαίνουν μέσα από το υγρό απομακρύνοντας αποτελεσματικά τη θερμότητα. Για τον πυρηνικό βρασμό του νερού ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας θα ήταν από 5000 έως 50000 W/m2.K. Αυτό εξαρτάται από την κατάσταση της επιφάνειας και τη διαφορά θερμοκρασίας. Καθώς αυξάνεται η ροή θερμότητας, αυξάνεται η συχνότητα και η πυκνότητα της παραγωγής φυσαλίδων. Στην κρίσιμη ροή θερμότητας οι φυσαλίδες ατμού συνενώνονται για να δημιουργήσουν μια συνεχή επίστρωση ατμού στην επιφάνεια του περιβλήματος. Η θερμική αγωγιμότητα της επικάλυψης ατμού είναι περίπου 20 φορές χαμηλότερη από αυτή του υγρού νερού, προκαλώντας σημαντική αύξηση στη θερμική αντίσταση. Η ίδια ροή θερμότητας απαιτεί αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του περιβλήματος, αλλά το πάχος του φιλμ ατμού αυξάνεται επίσης με τη θερμοκρασία, δημιουργώντας ένα αυτοσυντηρούμενο μονωτικό στρώμα. Για ένα περίβλημα 316 σε κορεσμένο νερό στους 100 βαθμούς, η κρίσιμη ροή θερμότητας είναι συνήθως 1.000–1.500 kW/m² (100–150 W/cm²). Αυτό είναι πολύ υψηλότερο από το εύρος λειτουργίας των βιομηχανικών θερμαντήρων εμβάπτισης, που λειτουργούν στα 5–30 W/cm 2. Ωστόσο, μικρά θερμά σημεία, ρύπανση στην επιφάνεια ή διαταραχές ροής μπορούν να μειώσουν την τοπική κρίσιμη ροή θερμότητας σε τιμές περίπου 50–80 W/cm2. Ένας θερμαντήρας παράγοντα θερμότητας 50% στα 20 W/cm2 μπορεί να ξεπεράσει την τοπική κρίσιμη ροή θερμότητας. Η θερμοκρασία αυξάνεται πολύ γρήγορα όταν ξεκινά ο βρασμός του φιλμ σε ένα μέρος της θήκης και το φιλμ ατμού μπορεί να καλύψει ολόκληρη την επιφάνεια.

Πώς το πάχος του τοιχώματος αλλάζει τα αποτελέσματα της επαγγελματικής εξουθένωσης
Όταν το περίβλημα 316 φτάσει σε βρασμό μεμβράνης, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μειώνεται από περίπου 10.000 W/m2·K σε περίπου 500 W/m2·K. Για σταθερή πυκνότητα watt 20 W/cm 2 (200 000 W/m 2 ) η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του περιβλήματος και του νερού που απαιτείται αυξάνεται από 20 C για βρασμό πυρηνικών σε 400 C για βρασμό μεμβράνης. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του περιβλήματος αυξάνεται έτσι από 120 βαθμούς σε περίπου 500 βαθμούς. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ουσιαστικά άμεση σε σύγκριση με τη θερμική χρονική σταθερά του περιβλήματος. Η σημαντική ανησυχία είναι εάν η θερμοκρασία του καλωδίου εσωτερικής αντίστασης θα φτάσει στο επιτρεπόμενο επίπεδο - συνήθως 800 μοίρες - προτού ο χειριστής ή το σύστημα ελέγχου αναγνωρίσει την κατάσταση και μειώσει την ισχύ; Η θερμοκρασία του σύρματος είναι η θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας του περιβλήματος συν την πτώση της θερμοκρασίας μέσω της μόνωσης MgO και τυχόν κενά διεπιφάνειας στην εσωτερική επιφάνεια του περιβλήματος. Για ένα περίβλημα λεπτού τοιχώματος 0,8-1,0 mm, η θερμοκρασία του σύρματος κατά τη διάρκεια του βρασμού του φιλμ μπορεί να φτάσει τους 900-1.000 βαθμούς μέσα σε 5-10 δευτερόλεπτα, οδηγώντας σε γρήγορη οξείδωση και αστοχία. Η θερμική μάζα της παχιάς θήκης (2,0-2,5 mm) απορροφά θερμότητα κατά το πρώτο γεγονός βρασμού του φιλμ, καθυστερώντας την άνοδο της θερμοκρασίας του σύρματος κατά 20-40 δευτερόλεπτα. Αυτή η καθυστέρηση δίνει στον αισθητήρα θερμοκρασίας ή στη θερμική διακοπή περισσότερο χρόνο αντίδρασης. Αλλά το παχύτερο περίβλημα συγκρατεί επίσης περισσότερη θερμότητα, επομένως μόλις ζεσταθεί, χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να κρυώσει μετά την αποσύνδεση του ρεύματος. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι τα περιβλήματα με παχύ τοίχωμα είναι πιο ανεκτικά σε βραχυπρόθεσμες εκδρομές βρασμού μεμβράνης, αλλά καταστρέφονται πιο σοβαρά εάν η εκδρομή είναι μακροπρόθεσμη.

Τροποποίηση Επιφανείας για Βελτίωση Κρίσιμης Ροής Θερμότητας
Η μικροδομή της επιφάνειας και η διαβρεξιμότητα ως βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την κρίσιμη ροή θερμότητας ενός περιβλήματος 316 Μια λεία γυαλισμένη επιφάνεια έχει χαμηλότερη κρίσιμη ροή θερμότητας από μια τραχιά ή πορώδη επιφάνεια, αυτό οφείλεται στις λιγότερες θέσεις πυρήνων . Το συνηθισμένο φινίρισμα επιφάνειας για περιβλήματα πάχους μικρότερου από 1,2 mm, χρησιμοποιώντας τη διαδικασία swaging είναι 0,4–0,8 microns Ra. Για περιβλήματα με παχύ τοίχωμα άνω του 1,8 mm, η επιφάνεια μπορεί να είναι πιο τραχιά λόγω των ποικίλων διαδικασιών κατασκευής με φινιρίσματα 1,0-2,0 microns Ra. Η πιο τραχιά επιφάνεια μπορεί να ενισχύσει την κρίσιμη ροή θερμότητας κατά 20-30% λόγω των αυξημένων θέσεων πυρήνωσης. Κατά τη λειτουργία βρασμού, τα περιβλήματα με παχύ τοίχωμα παρέχουν έτσι ένα διπλό πλεονέκτημα, δηλαδή, έχουν περισσότερη θερμική μάζα για να καθυστερήσουν τη ζημιά από την εξάντληση και η τυπικά πιο τραχιά επιφάνειά τους αυξάνει το όριο για την εξάντληση. Ο παρακάτω πίνακας δίνει συνιστώμενα πάχη τοιχώματος για 316 περιβλήματα στην υπηρεσία βραστό νερό, ανάλογα με την πυκνότητα και την ποιότητα του νερού λειτουργίας.

Πυκνότητα Watt Ποιότητα νερού Συνιστώμενο ελάχιστο πάχος τοιχώματος 316 Συνιστώμενο μέγιστο πάχος τοιχώματος 316 Μηχανισμός προστασίας από καύση περιθωρίου ροής κρίσιμης θερμότητας
έως 15 W/cm2Clean, χαμηλά στερεά 0,8 mm 1,6 mm 5 – 8× Λεπτό τοίχωμα ΟΚ; χαμηλού κινδύνου 15 – 25 W/cm² Καθαρό, χαμηλά στερεά 1,2 mm 2,0 mm 3 – 5× Το μέτριο πάχος δίνει θερμική μάζα
25 – 35 W/cm² Καθαρό, χαμηλά στερεά 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Απαιτείται παχύ τοίχωμα για ανοχή στην εξάντληση
3 – 5× Παχύτερος τοίχος Ζεστές περιοχές που προκαλούνται από άλατα Σκληρό νερό, δυνατότητα κλιμάκωσης 1,2 mm 2,0 mm Έως 15 W/cm²
15 – 25 W/cm² Σκληρό νερό, δυνατότητα απολέπισης 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Απαιτείται παχύ τοίχωμα. απαιτείται περιοδική αφαλάτωση
Οποιαδήποτε πυκνότητα watt De-μεταλλωμένο νερό 1,0 mm 1,6 mm Μεταβλητό De-μεταλλωμένο νερό έχει χαμηλότερη κρίσιμη ροή θερμότητας. αποφύγετε την υψηλή πυκνότητα watt
Ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 γενικά δεν συνιστάται για εφαρμογές άνω των 25 W/cm² σε βραστό νερό, ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος. Το περιθώριο για την κρίσιμη ροή θερμότητας είναι πολύ μικρό και οποιαδήποτε παροδική κατάσταση, όπως πτώση της στάθμης του νερού, διακύμανση πίεσης ή ρύπανση στην επιφάνεια μπορεί να προκαλέσει εξάντληση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι μηχανικοί μπορεί να διερευνήσουν τη χρήση του Incoloy 825 ή μιας θερμάστρας με επένδυση με ενσωματωμένα θερμοστοιχεία και ρύθμιση ενεργού ισχύος.

Σχεδιαστικές προσεγγίσεις για την πρόληψη της εξάντλησης λεπτών-περιβλημάτων με τοιχώματα
Τρεις σχεδιαστικές λύσεις μπορεί να μετριάσουν τον κίνδυνο εξάντλησης όταν μια θήκη 316 λεπτών τοιχωμάτων < 1,2 mm χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί στην υπηρεσία βραστό νερό, συνήθως για γρήγορη θερμική απόκριση. Το πρώτο και πιο σημαντικό είναι να δημιουργηθεί ένα πλεονάζον σύστημα μέτρησης θερμοκρασίας. Η ταχεία άνοδος της θερμοκρασίας του βρασμού του φιλμ μπορεί να γίνει αισθητή από το θερμοστοιχείο που σφίγγεται στην επιφάνεια του περιβλήματος ή από τον ανιχνευτή θερμοκρασίας αντίστασης που έχει εισαχθεί στο MgO σε 1-2 δευτερόλεπτα, ενεργοποιώντας τη διακοπή ρεύματος πριν καταστραφεί το καλώδιο. Η δεύτερη τεχνική είναι να λειτουργεί με έναν σταθερό περιοριστή ισχύος που περιορίζει την πυκνότητα watt ώστε να μην υπερβαίνει το 80% της υπολογιζόμενης κρίσιμης ροής θερμότητας με βάση την ποιότητα του νερού. Αυτό μπορεί να περιορίσει τη λειτουργία στα 40–50 W/cm² για το απιονισμένο νερό, το οποίο είναι ακόμα υψηλό, αλλά δίνει κάποιο ρυθμιστικό διάλυμα. Η τρίτη τεχνική είναι η βελτίωση της κυκλοφορίας του νερού στην επιφάνεια του περιβλήματος. Η κρίσιμη ροή θερμότητας του βρασμού με εξαναγκασμένη μεταφορά μπορεί να είναι τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή του βρασμού σε πισίνα. Το όριο ασφαλούς λειτουργίας μπορεί να αυξηθεί από 100 W/cm 2 σε 300 W/cm 2 χρησιμοποιώντας αντλία κυκλοφορίας ή αναδευτήρα. Εάν δεν χρησιμοποιούνται αυτές οι τακτικές, μια θήκη με παχύ τοίχωμα είναι η ευκολότερη και πιο αξιόπιστη μέθοδος για την πρόληψη της εξουθένωσης σε εφαρμογές βραστό νερό. Η ποινή θερμικής απόδοσης του παχύ τοίχου είναι αποδεκτή για τα πλεονεκτήματα ασφάλειας και αξιοπιστίας.