Πώς επηρεάζει το πάχος τοιχώματος του περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα 316 τη θερμική διαστολή-Προκαλούμενη πίεση στη διεπαφή MgO κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων θέρμανσης από 20 έως 400 βαθμούς Κελσίου;

Η διασταύρωση μεταξύ της θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 και της μόνωσης από οξείδιο του μαγνησίου είναι ένα σημαντικό αλλά συχνά παραμελημένο σημείο αστοχίας για τους μηχανικούς σχεδιασμού που αξιολογούν τη μακροπρόθεσμη- ανθεκτικότητα των ηλεκτρικών θερμαντήρων εμβάπτισης που λειτουργούν σε κυκλική χρήση υψηλής- θερμοκρασίας. Το περίβλημα 316 διαστέλλεται περισσότερο από το MgO με κάθε κύκλο θέρμανσης, καθώς ο συντελεστής θερμικής διαστολής 316 (περίπου 17 x 10 -6 / βαθμός ) είναι περίπου 2 φορές αυτός του συμπιεσμένου MgO (περίπου 9 x 10 -6 / βαθμός ). Αυτή η διαφορική διαστολή οδηγεί σε διατμητικές παραμορφώσεις στη διεπαφή-MgO. Σε χιλιάδες κύκλους αυτές οι πιέσεις μπορούν να προκαλέσουν αποκόλληση, σχηματισμό κενού και τελική υπερθέρμανση του σύρματος αντίστασης. Αυτές οι διεπιφανειακές τάσεις εξαρτώνται άμεσα από το πάχος του τοιχώματος της θήκης, καθώς το παχύτερο τοίχωμα περιορίζει τη διαστολή με διαφορετικό τρόπο σε σύγκριση με το λεπτό τοίχωμα. Σε αυτή τη μελέτη, ο συσχετισμός μεταξύ του πάχους τοιχώματος του περιβλήματος 316 και της θερμικής διαστολής που προκαλείται από τη διεπιφανειακή τάση ποσοτικοποιείται για να παρέχει τις προτάσεις επιλογής για εφαρμογές υψηλού κύκλου.

Η θήκη-Διεπαφή MgO: Μηχανική της διαφορικής θερμικής διαστολής
Όταν κατασκευάζεται ο θερμαντήρας, η μόνωση MgO συμπιέζεται στην εσωτερική επιφάνεια της θήκης 316 από την έντονη πίεση αιώρησης. Το αποτέλεσμα είναι μια σφιχτή εφαρμογή παρεμβολής με υπολειπόμενη θλιπτική τάση στη διεπαφή. Και τα δύο υλικά διαστέλλονται με τη θερμότητα από τη θερμάστρα. Το περίβλημα 316 προσπαθεί να επεκταθεί προς τα έξω στην ακτινική και περιφερειακή κατεύθυνση. Το MgO έχει τον χαμηλότερο συντελεστή διαστολής και αντιστέκεται σε αυτή τη διαστολή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θλιπτικής τάσης της επιφανείας, ή σε επαρκώς υψηλές θερμοκρασίες, μια αλλαγή σε τάση εφελκυσμού και ανάπτυξη διακένου. Η κρίσιμη θερμοκρασία για τον διαχωρισμό της επιφάνειας εξαρτάται από την αρχική υπολειμματική τάση που προκαλείται από την αιώρηση και την ακαμψία του τοιχώματος του περιβλήματος. Η ακτινική ακαμψία αυξάνεται με το πάχος του τοιχώματος του περιβλήματος, πράγμα που σημαίνει ότι αντιστέκεται στη διαστολή πιο δυναμικά και διατηρεί τη διεπιφανειακή επαφή σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Από την άλλη πλευρά, μια θήκη με λεπτό Ωστόσο, όταν σχηματίζεται ένα διάκενο, η επένδυση με λεπτό τοίχωμα-έχει μεγαλύτερες τοπικές τάσεις κάμψης λόγω του μη υποστηριζόμενου τοιχώματος που εκτρέπεται υπό εσωτερική πίεση ή θερμικές κλίσεις.

Ποσοτική συσχέτιση συγκράτησης διεπιφανειακής τάσης και πάχους τοιχώματος
Η μελέτη πεπερασμένων στοιχείων ενός περιβλήματος 316 εξωτερικής διαμέτρου 10 mm γεμάτο με MgO συμπιεσμένο σε 3,0 g/cm3 αποδίδει ποσοτικές εκτιμήσεις της διεπιφανειακής τάσης ως συνάρτηση του πάχους του τοιχώματος και της θερμοκρασίας. Η επιφανειακή θλιπτική τάση μετά την αλλαγή θερμοκρασίας δωματίου είναι περίπου 30 MPa για πάχος τοιχώματος 1,0 mm, 45 MPa για τοίχο 1,5 mm και 60 MPa για τοίχο 2,0 mm. Το παχύτερο περίβλημα διατηρεί μεγαλύτερη υπολειμματική συμπίεση, καθώς η διαδικασία αιώρησης ασκεί μεγαλύτερες τάσεις στο MgO πριν το θηκάρι υποχωρήσει πλαστικά. Η διεπιφανειακή τάση μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της διαφορικής διαστολής. Η θερμοκρασία αποκόλλησης, όταν η διεπιφανειακή τάση είναι μηδέν, είναι περίπου 280 μοίρες για τον τοίχο 1,0 mm, 340 μοίρες για τον τοίχο 1,5 mm και 380 μοίρες για τον τοίχο 2,0 mm. Μετά την αποκόλληση, το περίβλημα 1,0 mm εμφανίζει τάση εφελκυσμού της επιφάνειας ~ 5 MPa, ενώ το περίβλημα των 2,0 mm παραμένει υπό συμπίεση καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου για τον θερμαντήρα μέγιστης θερμοκρασίας 400 μοιρών. Ο δεσμός μεταξύ του περιβλήματος και του MgO χάνεται όταν η διεπιφάνεια γίνεται εφελκυστική. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μικρά κενά που συμβάλλουν στη θερμική αντίσταση από το σύρμα αντίστασης στο περίβλημα. Το MgO στην περιοχή του διακένου δεν είναι πλέον καλός θερμικός αγωγός και μπορεί να αναπτυχθεί ένα τοπικό hot spot που μπορεί να επιταχύνει την οξείδωση του σύρματος.

Κυκλική κόπωση της διεπαφής και υποβάθμιση του θερμαντήρα
Στην κυκλική υπηρεσία, η επαναλαμβανόμενη αλλαγή της διεπιφανειακής τάσης από συμπιεστική σε εφελκυστική ή από συμπιεσμένη σε αποκόλληση προκαλεί αθροιστική ζημιά στο περίβλημα-επαφή MgO. Για μια θήκη τοίχου 1,0 mm που λειτουργεί μεταξύ 20 μοιρών και 400 μοιρών, η διεπαφή βλέπει περίπου μια διακύμανση θερμοκρασίας 300 μοιρών. Κάθε κύκλος πηγαίνει από υψηλή συμπίεση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος σε μηδενική τάση στους 280 βαθμούς έως τάση στους 400 βαθμούς. Αυτή η κυκλική αντιστροφή της τάσης μπορεί να προάγει τη φθορά στη διεπαφή, δημιουργώντας σκόνη MgO που περιορίζει περαιτέρω τη θερμική επαφή. Μετά από 1000 κύκλους, η θερμική αντίσταση στη διεπαφή μπορεί να αυξηθεί κατά 20-40%, απαιτώντας μεγαλύτερες θερμοκρασίες καλωδίων για να διατηρηθεί σταθερή η απόδοση θερμότητας. Για μια θήκη τοίχου 2,0 mm, στο ίδιο εύρος θερμοκρασίας, η διεπαφή είναι σε συμπίεση σε όλες τις θερμοκρασίες. Η τάση κυμαίνεται από 60 MPa συμπίεση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος έως περίπου 10 MPa συμπίεση στους 400 βαθμούς -- πάντα θετική πίεση επαφής. Δεν σχηματίζεται τάσις ή κενό. Η πειραματική δοκιμή 316 θερμαντικών με επένδυση που υποβλήθηκαν σε 5.000 κύκλους από 20 μοίρες έως 400 μοίρες δείχνει ότι οι θήκες τοίχου 1,0 mm έχουν 35% αύξηση στη θερμική αντίσταση και 15% μείωση στην αντίσταση μόνωσης. Η ίδια δοκιμή σε περιβλήματα τοίχου 2,0 mm έδειξε διακύμανση μικρότερη από 5% σε κάθε παράμετρο.

Συστάσεις πάχους τοιχώματος για εφαρμογές υψηλού κύκλου, υψηλής θερμοκρασίας
Ο παρακάτω πίνακας δίνει συνιστώμενα 316 πάχη τοιχώματος περιβλήματος για δεδομένη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας και αριθμό προβλεπόμενων θερμικών κύκλων. Προϋποθέτει τη συμβατική διαδικασία αιώρησης και όχι μετα-ανόπτηση. Οι τιμές προϋποθέτουν μια στοχευμένη διάρκεια ζωής χωρίς σημαντική απώλεια θερμικής απόδοσης.

Μέγιστη θερμοκρασία περιβλήματος Αναμένονται θερμικοί κύκλοι κατά τη διάρκεια ζωής Συνιστώμενη Ελάχιστο 316 Πάχος τοίχου Κατάσταση διεπαφής στη μέγιστη θερμοκρασία Αναμενόμενη θερμική αντίσταση Αύξηση μετά την ποδηλασία
Έως 250 μοίρες C0,8 – 1,0 mm Οποιοσδήποτε αριθμός Παραμένει θλιπτικό < 5% 250 – 300 μοίρες< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 μοίρες 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Παραμένει θλιπτικό < 5% 350 – 400 μοίρες < 500 1.6 – 2,0 mm Ελαφρώς εφελκυσμός στην κορυφή 10 – 20%
350 – 400 μοίρες 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Παραμένει σε συμπίεση<5%
>400 μοίρες Οποιοσδήποτε αριθμός Δεν συνιστάται με σχηματισμό κενού MgO πιθανόν Απρόβλεπτο
Για εφαρμογές που χρειάζονται τόσο υψηλή μέγιστη θερμοκρασία όσο και μεγάλους αριθμούς κύκλων, όπως εξοπλισμός αποστείρωσης ή φούρνους θερμικής ανακύκλωσης, συνιστάται ιδιαίτερα να επιλέξετε ένα περίβλημα 2,0 mm και παχύτερο 316. Απλώς πρέπει να αποδεχτούμε την ποινή θερμότητας που είναι εγγενής στον παχύ τοίχο, όπως σημειώθηκε σε προηγούμενα άρθρα ως το τίμημα της μακροπρόθεσμης ακεραιότητας της διεπαφής. Εναλλακτικά, οι μηχανικοί μπορούν να καθορίσουν μια διαδικασία ανόπτησης μετά την{4}}μετατόπιση που μειώνει τις υπολειπόμενες τάσεις αλλά και την αρχική συμπίεση της επιφάνειας. Η συγκράτηση της διεπιφανειακής τάσης είναι πανομοιότυπη για ένα ανοπτημένο θηκάρι 1,6 mm και ένα μη{7}}ανοπτημένο θηκάρι 1,2 mm. Εξαρτάται από το εάν η εφαρμογή επικεντρώνεται περισσότερο στη θερμική απόδοση ή στην αντοχή του κύκλου.

Σχεδιαστικές προσεγγίσεις για τον μετριασμό της διεπιφανειακής πίεσης σε λεπτές θήκες-
Για εφαρμογές που απαιτούν θήκη λεπτού τοιχώματος κάτω από 1,2 mm για λόγους θερμικής απόκρισης, αλλά συμπεριλαμβανομένης της θερμικής ανακύκλωσης σε υψηλές θερμοκρασίες, υπάρχουν τρεις σχεδιαστικές λύσεις που μπορούν να ακολουθηθούν για τη μείωση της διεπιφανειακής αποκόλλησης. Το πρώτο είναι να προσθέσετε μια μικρή επίστρωση γράσου ή πάστας με ισχυρή θερμική αγωγιμότητα στη διεπαφή-MgO κατά τη συναρμολόγηση. Για παράδειγμα, τα γράσα σιλικόνης φορτωμένα με νιτρίδιο του βορίου διατηρούν τη συμμόρφωση σε όλη τη διάρκεια του κύκλου θερμοκρασίας και γεμίζουν τυχόν κενά που μπορεί να προκύψουν, διατηρώντας τη θερμική επαφή. Η δεύτερη τεχνική είναι να λειτουργεί ο θερμαντήρας σε ελάχιστη θερμοκρασία αναμονής αντί να κρυώνει στο περιβάλλον μεταξύ των κύκλων. Για την ανακύκλωση του θερμαντήρα από 150 C στους 400 C αντί για 20 C στους 400 C, η διακύμανση της τάσης της επιφάνειας μειώνεται κατά περίπου 50%. Η τρίτη προσέγγιση είναι ο καθορισμός μιας θήκης μικρότερης εξωτερικής διαμέτρου με το ίδιο πάχος τοιχώματος. Η ακτινική ακαμψία είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της διαμέτρου. Έτσι, μια θήκη OD 6 mm με τοίχωμα 1,0 mm έχει μεγαλύτερη ακτινική ακαμψία από μια θήκη OD 10 mm με τοίχωμα 1,0 mm. Ο σχεδιαστής μπορεί να μειώσει τη διάμετρο για να επωφεληθεί από ένα λεπτό τοίχωμα για θερμική απόκριση και να εξακολουθεί να έχει διεπαφή με υψηλότερες θερμοκρασίες. Όταν τα λεπτά τοιχώματα καθορίζονται για κυκλική χρήση σε υψηλές{20} θερμοκρασίες, οι μηχανικοί θα πρέπει να ζητούν από τους κατασκευαστές θερμαντήρων υπολογισμούς διεπιφανειακής τάσης. Η ανάλυση είναι συνάρτηση της αναλογίας μείωσης της λωρίδας, της πυκνότητας συμπίεσης MgO και του προβλεπόμενου προφίλ θερμοκρασίας. Εάν δεν μπορείτε να πάρετε αυτήν την ανάλυση από έναν κατασκευαστή, είναι αμφίβολο ότι παράγει έναν αξιόπιστο θερμαντήρα για απαιτητικές κυκλικές εφαρμογές.