Ποιο είναι το αξιόπιστο πάχος θήκης για 316 θερμαντήρες κυκλοφορίας από ανοξείδωτο χάλυβα σε άλμη 40% χλωριούχου ασβεστίου στους 90 βαθμούς με πίεση συστήματος 5 Bar

Το Core Trade-off in High-Density Brine Service

Το χλωριούχο ασβέστιο άλμη (συγκέντρωση 40%) είναι ένα τυπικό ρευστό μεταφοράς θερμότητας που χρησιμοποιείται σε συστήματα ψύξης, εφαρμογές αφαίρεσης πάγου και βιομηχανικούς βρόχους ψύξης. Το άλμη χλωριούχου ασβεστίου (πυκνότητα περίπου 1,4 g/cm3, σημείο πήξης -45 βαθμοί στη βέλτιστη συγκέντρωση) είναι πιο πυκνό από το άλμη χλωριούχου νατρίου και μπορεί να διατηρηθεί σε υγρή μορφή σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 ανταποκρίνεται σε ένα πολύ απαιτητικό περιβάλλον στις 90 μοίρες και με πίεση συστήματος 5 bar{10}}% χλωριούχο ασβέστιο, η άλμη έχει περιεκτικότητα σε χλωρίδιο περίπου 25% κατά βάρος και είναι πολύ επιθετική. Ωστόσο, η διαβρωτική συμπεριφορά είναι μέτρια σε σύγκριση με το χλωριούχο νάτριο λόγω της παρουσίας ιόντων ασβεστίου. Τα ιόντα ασβεστίου αναστέλλουν τη δραστηριότητα των ιόντων χλωρίου με σύζευξη ιόντων. Για αξιόπιστο πάχος περιβλήματος για αυτή τη λειτουργία, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η συγκράτηση της πίεσης, η αντίσταση στα σκασίματα σε άλμη με υψηλή περιεκτικότητα σε χλωριούχο άλας, η διάβρωση από τυχόν αιωρούμενα στερεά και η θερμική απόδοση που απαιτείται για τη μεταφορά θερμότητας. Σε αντίθεση με το χλωριούχο σίδηρο, όπου το 316 δεν είναι πολύ κατάλληλο, το 316 ανοξείδωτο μπορεί να πάρει άλμη χλωριούχου ασβεστίου σε μέτριες θερμοκρασίες με το σωστό πάχος και λειτουργική πειθαρχία.

Περιορισμός πίεσης @ 5 Bar & 90 C

Η απαίτηση τάσης στεφάνης για μια θήκη θερμαντήρα κυκλοφορίας σε πίεση συστήματος 5 bar είναι μικρή, αλλά όχι μηδενική. Για έναν σωλήνα εξωτερικής διαμέτρου 12 mm, εξαρτάται από το πάχος του τοιχώματος. Ο τύπος τάσης στεφάνης είναι σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t παράγει τις ακόλουθες τιμές: για τοίχο 1,2 mm (εσωτερική ακτίνα 4,8 mm), η τάση είναι 0,5 MPa επί 4,8 mm έναντι 1,2 mm, που δίνει 2,0 MPa. Για τοίχο 2,0 mm (εσωτερική ακτίνα 4,0 mm), η τάση είναι 0,5 MPa επί 4,0 mm διαιρεμένη με 2,0 mm, που είναι 1,0 MPa. Και τα δύο αποτελέσματα είναι σημαντικά χαμηλότερα από την αντοχή διαρροής 170 MPa του ανοξείδωτου χάλυβα 316 στους 90 βαθμούς. Το πάχος δεν καθορίζεται μόνο από τον περιορισμό της πίεσης. Ωστόσο, οι θερμαντήρες κυκλοφορίας του συστήματος άλμης συχνά τοποθετούνται σε εξαρτήματα με σπείρωμα ή φλάντζα που απαιτείται να φέρουν ροπή εγκατάστασης και πιέσεις θερμικής διαστολής. Το ελάχιστο πάχος στα σημεία σύνδεσης θα πρέπει να είναι 1,2 mm για εμπλοκή του σπειρώματος και μηχανική ελαστικότητα. Λεπτότερα τοιχώματα από 1,0 mm ενδέχεται να κινδυνεύσουν από απογύμνωση ή παραμόρφωση του νήματος κατά την εγκατάσταση.

Αντοχή σε εντοπισμένη διάβρωση σε άλμη πυκνού χλωριούχου ασβεστίου

Η αντίσταση στη διάτρηση του ανοξείδωτου χάλυβα 316 σε μια άλμη με χλωριούχο ασβέστιο είναι πολύ καλύτερη από αυτή σε μια άλμη χλωριούχου νατρίου σε παρόμοια ποσοστά βάρους χλωρίου. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ιόντα χλωρίου είναι λιγότερο ενεργά στα διαλύματα χλωριούχου ασβεστίου. Η κρίσιμη θερμοκρασία διάτρησης του ανοξείδωτου χάλυβα 316 σε συγκέντρωση ιόντων χλωρίου 25% (από 40% CaCl2) είναι περίπου 45-55 βαθμοί ανάλογα με την περιεκτικότητα σε οξυγόνο και την κατάσταση ροής. Το διάλυμα είναι πολύ πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία διάνοιξης των 90C, επομένως θα πραγματοποιηθεί η διάτρηση. Το ερώτημα είναι με ποιο ρυθμό πολλαπλασιάζονται οι λάκκοι. Οι ρυθμοί ανάπτυξης λάκκου για ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε 40% CaCl2 στους 90 βαθμούς σε αεριζόμενες συνθήκες δημοσιεύονται ως 0,3-0,8 mm/έτος, ενώ η χαμηλότερη τιμή σχετίζεται με συνθήκες τυρβώδους ροής που εμποδίζουν τη συγκέντρωση χλωρίου στην είσοδο του λάκκου. Για έναν θερμαντήρα κυκλοφορίας με ταχύτητα ροής 1,5-2,0 m/s, ο ρυθμός ανάπτυξης λάκκου είναι περίπου 0,3-0,5 mm/έτος. Το μέγιστο προβλεπόμενο βάθος λάκκου είναι 1,5 έως 2,5 mm για πενταετή διάρκεια ζωής. Αυτός ο υπολογισμός είναι ένας άμεσος οδηγός για την επιλογή πάχους. Ένας τοίχος 1,5 mm θα είχε μεγάλη πιθανότητα διάτρησης μετά από πέντε χρόνια. Ο τοίχος είναι 2,0 mm. Μετά από 5 χρόνια επέκτασης, το περιθώριο ασφαλείας είναι 0,5-1,5 mm. Ένα πάχος τοιχώματος 2,5 mm δίνει μεγαλύτερο περιθώριο αλλά με μεγάλες κυρώσεις θερμότητας και κόστους. Το αξιόπιστο εύρος πάχους για 5ετή διάρκεια σχεδιασμού είναι 2,0-2,3 mm.

Παρατηρήσεις για ομοιόμορφη διάβρωση και επίθεση ρωγμών

Το κύριο πρόβλημα είναι η διάβρωση, ωστόσο μπορείτε να μετρήσετε ομοιόμορφη διάβρωση σε άλμη 40% χλωριούχου ασβεστίου στους 90 βαθμούς. Δημοσιευμένες μελέτες απώλειας βάρους δείχνουν ρυθμούς διάβρωσης 0,05-0,12 mm/έτος υπό συνθήκες ροής και είναι συνεπείς. Παρατηρείται ομοιόμορφη μείωση από 0,25 έως 0,60 mm κατά τη διάρκεια των 5 ετών. Αυτή η ζημιά μειώνει το αποτελεσματικό πάχος τοιχώματος που είναι διαθέσιμο για να αντισταθεί στη διείσδυση λακκών. Ένας ομοιόμορφος ρυθμός διάβρωσης 5 ετών 0,10 mm/έτος σε τοίχο 2,0 mm αφήνει πάχος 1,5 mm πριν από την έναρξη της διάτρησης. Ένας λάκκος που επεκτείνεται με ρυθμό 0,4 mm ετησίως για πέντε χρόνια θα έφτανε σε βάθος 2,0 mm, διατρυπώντας τον τοίχο. Ο συνδυασμός της σταθερής απώλειας και της διάτρησης σημαίνει ότι ένας τοίχος 2,0 mm είναι κοντά στο όριο της αξιοπιστίας για μια πλήρη πενταετή διάρκεια ζωής. Η επίθεση ρωγμής στα παρεμβύσματα φλάντζας, τις συνδέσεις με σπείρωμα και κάτω από οποιεσδήποτε αποθέσεις ζυγαριάς έχει πρόσθετη διάσταση. Τοπικοί ρυθμοί διάβρωσης 0,5-1,0 mm ετησίως μπορούν να εμφανιστούν σε ρωγμές στην άλμη χλωριούχου ασβεστίου. Για το λόγο αυτό, οι θερμαντήρες κυκλοφορίας υπηρεσίας άλμης θα πρέπει να είναι συγκολλημένες και όχι με σπείρωμα και τα παρεμβύσματα θα πρέπει να αποφεύγονται όπου είναι δυνατόν.

Θερμική απόδοση χοντρών τοίχων Κόστος χονδρών τοίχων

Η θερμική αγωγιμότητα της άλμης 40% χλωριούχου ασβεστίου είναι περίπου 0,55 W/m·K στους 90 βαθμούς, πολύ μικρότερη από αυτή του νερού (0,68 W/m·K). Έτσι, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στην τυρβώδη ροή είναι μικρότερος, συνήθως 600-1000 W/m²·K σε σύγκριση με 1500-2500 W/m²·K για το νερό. Έτσι, η θερμική αντίσταση του περιβλήματος συμβάλλει περισσότερο στο συνολικό θερμικό κύκλωμα από ό,τι στην υπηρεσία νερού. Για ένα σωλήνα με εξωτερική διάμετρο 12 mm, η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται κατά περίπου 0,004 m²·K/W καθώς το πάχος του τοιχώματος αυξάνεται από 1,5 mm σε 2,5 mm. Αυτή η αυξημένη αντίσταση αυξάνει τη θερμοκρασία του περιβλήματος κατά 8-10 βαθμούς για μια τυπική πυκνότητα watt θερμαντήρα κυκλοφορίας 7-8 W/cm2. Με τοίχωμα 2,5 mm, η θερμοκρασία του περιβλήματος μπορεί να αυξηθεί στους 110-115 βαθμούς για θερμοκρασία όγκου 90 μοιρών. Ο ρυθμός διάτρησης σε αυτές τις θερμοκρασίες αυξήθηκε κατά περίπου 50-100% σε σύγκριση με εκείνον στους 100 βαθμούς. Το αυξημένο πάχος τοιχώματος για αντοχή στη διάβρωση θα μπορούσε να προάγει το σχηματισμό κοιλωμάτων λόγω του θερμικού φαινομένου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα παράθυρο βέλτιστου πάχους, αρκετά λεπτό ώστε να διατηρεί τη θερμοκρασία του περιβλήματος<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Συστάσεις πάχους για διαφορετικές συνθήκες σέρβις, αξιόπιστες

Για έναν θερμαντήρα κυκλοφορίας σε άλμη 40% χλωριούχου ασβεστίου στους 90 βαθμούς και 5 bar με τυρβώδη ροή (Re > 10.000) και διάρκεια ζωής πέντε ετών, το αξιόπιστο πάχος του περιβλήματος είναι 2,0-2,2 mm. Αυτό το πάχος επιτρέπει ένα περιθώριο διάτρησης 1,0-1,5 mm μετά από πέντε χρόνια ομοιόμορφης διάβρωσης, υποθέτοντας ρυθμό ανάπτυξης λάκκου 0,4 mm ετησίως. Επαρκές για 3 χρόνια ζωής σχεδιασμού 1,6-1,8 mm Αυτό είναι 2,5-2,8 mm για δέκα χρόνια διάρκειας σχεδιασμού, αλλά η ποινή θερμότητας γίνεται σημαντική. Μια αναβάθμιση σε υψηλότερο κράμα όπως 316Ti ή 317L μπορεί να είναι πιο οικονομική. Για συστήματα με στρωτή ροή ή νεκρές ζώνες με μεγαλύτερους ρυθμούς διάτρησης, το πάχος θα πρέπει να αυξηθεί κατά 0,3–0,5 mm. Για συστήματα που χρησιμοποιούν απαερωμένη άλμη (διαλυμένο οξυγόνο λιγότερο από 100 ppb), ο ρυθμός διάτρησης μειώνεται σε 0,1-0,2 mm ετησίως και μπορεί να μειωθεί σε 1,5-1,8 mm για πενταετή διάρκεια ζωής.

Πρακτικά μέτρα σχεδιασμού που μειώνουν τις απαιτήσεις πάχους

Διατίθενται διάφορα μέτρα σχεδιασμού για τη μείωση του απαιτούμενου πάχους θήκης χωρίς να διακυβεύεται η αξιοπιστία. Πρώτον, διαχείριση ροής: Επιβάλλεται ελάχιστη ταχύτητα ροής 1,5 m/s για να αποφευχθεί η στασιμότητα του οριακού στρώματος και να ελαχιστοποιηθούν οι ρυθμοί διάτρησης κατά δύο. 2. Απαέρωση: Μια κουβέρτα αζώτου πάνω από τη δεξαμενή διαστολής μειώνει το διαλυμένο οξυγόνο από 8 ppm σε λιγότερο από 0,5 ppm με σταθερή μείωση στη διάσπαση και σημαδιακή μείωση της διάτρησης. Τρίτον, προσθήκη αναστολέων. Το χρωμικό νάτριο ή το μολυβδαινικό νάτριο στα 200-500 ppm αυξάνει σημαντικά την αντίσταση στο άνοιγμα και επιτρέπει τη μείωση του πάχους κατά 0,3-0,5 mm. Τέταρτον, φινίρισμα επιφάνειας. Οι ηλεκτρογυαλισμένοι σωλήνες έχουν λιγότερες θέσεις εκκίνησης και χαμηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης λάκκου από τους μηχανικά γυαλισμένους σωλήνες. Ένας ηλεκτρογυαλισμένος τοίχος 1,8 mm μπορεί να έχει καλύτερη απόδοση από έναν τοίχο 2,2 mm όπως έλκεται.

Συμπέρασμα: Το αξιόπιστο πάχος για άλμη χλωριούχου ασβεστίου

Το πάχος του περιβλήματος των 2,0-2,2 mm βρέθηκε ότι είναι αξιόπιστο για πέντε χρόνια σχεδιαστική διάρκεια ζωής 316 θερμαντικών σωμάτων κυκλοφορίας SS σε τυρβώδεις, αεριζόμενες συνθήκες για άλμη 40% χλωριούχου ασβεστίου στους 90 βαθμούς C και πίεση 5 bar. Αυτό το πάχος είναι μια αντιστάθμιση μεταξύ του επιτρεπόμενου ανοίγματος, του ομοιόμορφου περιθωρίου διάβρωσης και της θερμικής απόδοσης. Τοίχοι λεπτότεροι από 1,8 mm είναι πιθανό να τρυπήσουν μέσα σε 3 χρόνια. Τα παχύτερα τοιχώματα άνω των 2,5 mm ανεβάζουν τη θερμοκρασία του περιβλήματος σε μια περιοχή όπου η διάτρηση επιταχύνεται και οι επιστροφές μειώνονται. Η πιο αξιόπιστη προδιαγραφή περιλαμβάνει όχι μόνο το πάχος αλλά και προδιαγραφές για ελάχιστη ταχύτητα ροής (1,5 m/s), φινίρισμα επιφάνειας (ηλεκτρολιωμένο) και έλεγχο διαλυμένου οξυγόνου όπου είναι δυνατόν. Οι μηχανικοί πρέπει να υποδεικνύουν τη διάρκεια ζωής σχεδιασμού σε χρόνια και το καθεστώς ροής κατά τον καθορισμό. Αυτό μετατρέπει την απόφαση πάχους από μια εικασία σε έναν υπολογισμό χρησιμοποιώντας δημοσιευμένα δεδομένα διάβρωσης και θερμική μοντελοποίηση παρέχοντας αξιόπιστη μακροπρόθεσμη απόδοση σε μία από τις πιο προβληματικές συνθήκες αλατούχου για τον ανοξείδωτο χάλυβα 316.