Θερμική Διαστολή – Η Μηχανική Πρόκληση των Long Heaters

Κάθε μηχανικός συντήρησης μαθαίνει τελικά με τον δύσκολο τρόπο που κινείται το μέταλλο όταν θερμαίνεται. Αυτό είναι ένα βασικό γεγονός της μηχανικής. Καθώς ένας υπέρ-μακρύς ηλεκτρικός σωλήνας θέρμανσης με μία-κεφαλή μήκους 1200 mm επιτυγχάνει τη θερμοκρασία λειτουργίας του, μπορεί να επεκταθεί πολύ. Εάν αυτή η επέκταση δεν ληφθεί υπόψη κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού και της εγκατάστασης, τα αποτελέσματα μπορεί να είναι άσχημα: θερμάστρες που έχουν κολλήσει και είναι σχεδόν αδύνατο να αφαιρεθούν, σπασμένα μέρη καλουπιού, λυγισμένα περιβλήματα θερμαντήρα ή σπασμένες εσωτερικές συνδέσεις. Έτσι, οποιοσδήποτε είναι υπεύθυνος για τον καθορισμό, την εγκατάσταση ή τη συντήρηση θερμαντικών δοχείων μεγάλης διάρκειας πρέπει να γνωρίζει πώς να κατανοεί και να αντιμετωπίζει τη θερμική διαστολή.

Η αριθμητική πίσω από τη θερμική διαστολή είναι απλή, αλλά οι άνθρωποι συχνά δεν το σκέφτονται αρκετά. Ο συντελεστής διαστολής για τα έλυτρα από ανοξείδωτο χάλυβα και Incoloy είναι συνήθως περίπου 0,000017 m/m/βαθμός (17 μm/m/βαθμός). Ολόκληρη η διαμήκης διαστολή ενός θερμαντήρα 1200 mm (1,2 m) υπερ-με μονή-κεφαλή που λειτουργεί σε θερμοκρασία διεργασίας 400 μοιρών (με αύξηση θερμοκρασίας περίπου 380 μοίρες από το περιβάλλον) μπορεί να είναι πάνω από 8 mm. Αυτή η ανάπτυξη μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 10 mm σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας 500–600 μοιρών. Όταν κάνει κρύο, μια θερμάστρα που εφαρμόζει τέλεια μπορεί να προεξέχει πολύ όταν κάνει ζέστη. Ή, χειρότερα, εάν είναι πολύ σφιχτά τοποθετημένο στο κάτω μέρος μιας τυφλής τρύπας, δεν θα έχει πού να αναπτυχθεί και μπορεί να λυγίσει, να διογκωθεί ή να ασκήσει καταστροφική αξονική πίεση στο μέταλλο γύρω του.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εξειδικευμένοι σχεδιαστές και τεχνικοί αφήνουν πάντα έναν χώρο θερμικής διαστολής στο τέλος των τυφλών οπών. Ένα μικροσκοπικό διάκενο 2–3 mm μπορεί να είναι αρκετό για μικρότερους θερμαντήρες φυσιγγίων, αλλά για μια μονάδα υπερ{4}μήκους 1200 mm, ο συνιστώμενος διαχωρισμός είναι πολύ μεγαλύτερος-συνήθως **5 mm έως 10 mm** στο κλειστό άκρο της κοιλότητας. Εάν δεν υπάρχει αρκετός χώρος, ο θερμαντήρας θα πιέσει προς το κάτω μέρος της οπής καθώς διαστέλλεται. Αυτό δημιουργεί συμπιεστικές πιέσεις που μπορεί να σπάσουν τα αδύναμα τοιχώματα της μούχλας, να αλλάξουν το σχήμα της θήκης του θερμαντήρα ή να συμπιέσουν άνισα την εσωτερική μόνωση οξειδίου του μαγνησίου (MgO). Σε πολύ άσχημες συνθήκες, το περίβλημα μπορεί να καταρρεύσει ή ο θερμαντήρας μπορεί να κολλήσει οριστικά, πράγμα που σημαίνει ότι χρησιμοποιείτε ακριβές μεθόδους όπως διάτρηση ή EDM για να το βγάλετε.

Το τέλος του προβαδίσματος (τερματισμός) έχει τα δικά του προβλήματα με την επέκταση. Το ψυχρό τμήμα μετακινείται σε σχέση με το διαμέρισμα καλωδίωσης ή την πλάκα στήριξης καθώς ο θερμαντήρας 1200 mm θερμαίνεται. Εάν τα καλώδια του ηλεκτροδίου είναι καλά στερεωμένα, ώστε να μην μπορούν να κινηθούν, αυτή η αξονική ανάπτυξη μπορεί να τραβήξει απευθείας τα εσωτερικά σημεία τερματισμού, τα οποία μπορεί να χαλαρώσουν αργά τις συνδέσεις, να πιέσουν τη διασταύρωση του σύρματος αντίστασης ή ακόμα και να σπάσουν εσωτερικές απαγωγές σε πολλούς θερμικούς κύκλους. Για να το διορθώσετε αυτό, πολλοί-υψηλής ποιότητας θερμαντήρες μεγάλου μήκους διαθέτουν εύκαμπτες διαμορφώσεις ηλεκτροδίων, απολήξεις με ελατήριο- ή επιπλέον χαλαρό μόλυβδο ενσωματωμένο στη διάταξη. Ορισμένα σχέδια έχουν αιωρούμενο ψυχρό τμήμα ή χαρακτηριστικά ανακούφισης καταπόνησης-που καταλαμβάνουν την κίνηση χωρίς να ασκούν πίεση στις ηλεκτρικές συνδέσεις.

Η προσθήκη ακτινικής επέκτασης (διαμέτρου) κάνει τα πράγματα ακόμα πιο περίπλοκα. Το περίβλημα διαστέλλεται προς τα έξω καθώς θερμαίνεται, συνήθως κατά 0,05 έως 0,15 mm σε διάμετρο, ανάλογα με την ουσία και τη θερμοκρασία. Εάν το άνοιγμα είναι πολύ στενό, αυτή η ακτινική διαστολή κάνει τη θερμάστρα να δένει σε όλο της το μήκος. Το πρόβλημα είναι χειρότερο με μια θερμάστρα 1200mm εξαιρετικά-καθώς η μεγαλύτερη επιφάνεια σημαίνει περισσότερα σημεία επαφής που προκαλούν τριβή. Το δέσιμο ασκεί μεγαλύτερη πίεση στη μηχανική, σταματά την ελεύθερη διαστολή και μπορεί να προκαλέσει τοπικά hotspot ή παραμόρφωση του περιβλήματος. Η απάντηση είναι να ορίσετε ένα διάκενο εγκατάστασης που λειτουργεί τόσο για κρύα εισαγωγή όσο και για λειτουργία εν θερμώ. Για τις περισσότερες διαμέτρους έως 20 mm, μια διαμετρική απόσταση **0,05 mm έως 0,10 mm** (λίγο μεγαλύτερη από ό,τι για τις κοντές θερμάστρες) σας δίνει τον χώρο που χρειάζεστε, ενώ διατηρείτε καλή θερμική επαφή. Συνιστάται ανεπιφύλακτα να χρησιμοποιείτε ράβδωση ή λείανση ακριβείας για να έχετε αυτήν την ανοχή.

Ακολουθούν μερικές ακόμη προτεινόμενες πρακτικές για την αντιμετώπιση της θερμικής διαστολής σε θερμάστρες 1200mm:
- Τοποθέτηση του θερμαντήρα στην τρύπα έτσι ώστε να αγγίζει απαλά το κάτω μέρος και, στη συνέχεια, τραβήξτε το λίγο προς τα πίσω (για να ταιριάζει με το υπολογιζόμενο διάκενο διαστολής) πριν το τοποθετήσετε στην τελική του θέση. - Τοποθέτηση υψηλής-θερμοκρασίας, μη αγώγιμου αντισύλληψης-σύνθεσης στο περίβλημα και διακοπή της τριβής κατά τη διάρκεια της τριβής συστολή. - Επιλογή υλικών περιβλήματος όπως το Incoloy που παραμένουν ισχυρότερα και έχουν λιγότερη απολέπιση σε υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που μειώνει την πιθανότητα σύσπασης. - Προσέχοντας τα πρώτα σημάδια προβλημάτων που σχετίζονται με την επέκταση, συμπεριλαμβανομένων των θερμαντικών σωμάτων που γίνονται πιο δύσκολο να αφαιρεθούν ή αλλαγών στην τρέχουσα έλξη που δεν είχαν προβλεφθεί.

Η θερμική διαστολή δεν αποτελεί πρόβλημα στο σχεδιασμό ή στη διαδικασία κατασκευής. Είναι απλώς ένα φυσικό χαρακτηριστικό των μετάλλων. Ένας θερμαντήρας φυσιγγίου-υψηλής ποιότητας 1200 mm-με μονή-κεφαλή μπορεί να λειτουργήσει για χρόνια χωρίς να χαλάσει ή να αποτύχει νωρίς, εάν εγκατασταθεί σωστά με τα σωστά κενά διαστολής, διαμετρικά κενά, διαχείριση ηλεκτροδίων και διαδικασίες εγκατάστασης. Ακόμα και η καλύτερα σχεδιασμένη θερμάστρα θα χαλάσει τελικά αν δεν τη φροντίσετε. Αυτό θα σας κοστίσει πολλά χρήματα σε διακοπές και αντικαταστάσεις.

Ακολουθώντας τους κανόνες θερμικής διαστολής από την αρχή της διαδικασίας σχεδιασμού και εγκατάστασης, οι μηχανικοί και οι ομάδες συντήρησης διασφαλίζουν ότι οι μακριές θερμάστρες τους παραμένουν αξιόπιστα μέρη του θερμικού συστήματος αντί να προκαλούν συνεχώς δυσκολίες στους μηχανικούς.