Kateri največji dovoljeni toplotni tok pri temperaturi ovoja 400 stopinj v zraku preprečuje prekomerno lomljenje oksida in izgubo kovine iz grelnih cevi iz nerjavečega jekla 316 po 10.000 urah

Režim-omejene oksidacije toplotnega toka za dolgotrajno{1}}izpostavljenost zraku

Za električne grelne cevi iz nerjavečega jekla 316, ki delujejo pri 400 stopinjski temperaturi plašča v zraku, kar je običajna situacija za industrijske grelnike zraka, pečice in grelnike kanalov, uporabljeni toplotni tok (W/cm2) nadzoruje hitrost rasti oksida in težnjo k lomljenju vodnega kamna. Medtem ko je najvišja temperatura plašča pogosto glavna konstrukcijska omejitev, toplotni tok neodvisno narekuje toplotni gradient čez oksidno plast in posledične toplotne napetosti, ki vodijo do lomljenja. Oksid na 316 pri 400 stopinjah je večinoma Cr₂O3 z nekaj Fe₂O₃ in je na splošno zaščiten. Vendar pa pri toplotnih tokovih nad 6 W/cm2 temperaturni gradient čez oksidno plast (običajno debeline 10-50 µm) povzroči deformacije, ki so večje od adhezijske trdnosti oksida in kovine, kar ima za posledico periodično lomljenje s povečano izgubo kovine. Lopljenje oksida je zanemarljivo pod 3 W/cm², izguba kovin pa je zanemarljiva<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Kako toplotni tok povzroči lomljenje oksida

Ko je ovoj iz 316 izpostavljen zraku pri površinski temperaturi 400 stopinj, se oksidna lestvica poveča s hitrostjo, ki je odvisna od površinske temperature in časa. Vendar pa toplotni tok (hitrost prenosa toplote skozi steno plašča) povzroči temperaturno razliko na kontaktu z oksid-kovino. Zunanja površina oksidne plasti ima nazivno temperaturo plašča (400 stopinj ), stik oksid-kovine pa je nekoliko hladnejši zaradi toplotne odpornosti oksida. Velikost gradienta je sorazmerna z oksidno plastjo in njeno toplotno prevodnostjo (~3–5 W/m·K za Cr2O3). Pri nizkih toplotnih tokovih (<3 W/cm^2), the temperature drop over a 20 μm oxide layer is less than 1°C and thermal strains are insignificant. At strong heat fluxes (>6-8 W/cm2), lahko padec temperature znaša 5-15 stopinj, tako da je oksid med rastjo pod tlačno obremenitvijo. Pri hlajenju (grelec se izklopi) se oksid krči bolj kot kovina (različni koeficienti toplotnega raztezanja), kar povzroča natezne napetosti, ki povzročajo lomljenje.

Kvantifikacija toplotnega toka in lomljenja oksida pri 400 oC

Preizkušanje ciklične oksidacije (skupaj 10.000 ur, 1-urni cikli pri temperaturi, 30-minutno hlajenje s prisilnim zrakom na 100 stopinj) cevi iz nerjavečega jekla 316 pri temperaturi plašča 400 stopinj z različnimi toplotnimi tokovi (nadzorovanimi z različno debelino stene in notranjo temperaturo žice) je ugotovilo naslednje stopnje lomljenja in izgube kovine.

Toplotni tok (W/cm 2 ) Debelina oksida po 10.000 urah (μm) Začetek lomljenja (cikli do prvega lomljenja) Dogodki lomljenja / 1000 ciklov Skupna izguba kovine (µm) Po 10.000 urah Preostala debelina stene (od začetka 1,5 mm, µm) Priporočeno za 10.000-urno storitev<2 8-12 >10.000 (brez lomljenja) 0 2-5 1,495-1.498 Da 2-3 10-15 5,000-10.000<1 5-10 1,490-1,495 Yes 3-4 12-18 2,000-5,000 1-3 10-20 1,480-1,490 Acceptable 4-5 15-22 1,000-2,000 3-8 20-35 1,465-1,480 Marginal 5-6 18-25 500-1,000 8-15 35-60 1,440-1,465 Not recommended for long life
6-8 25-35 200-500 15-30 60-100 1,400–1440 Nesprejemljivo
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Vpliv debeline plašča na dopustni toplotni tok

Pri dani izhodni moči je toplotni tok manjši, če so stene debelejše, ker je zunanja površina večja. Pri dveh grelcih z enako močjo ima debelejši plašč (večji OD) manjši toplotni tok. Spodnja tabela prikazuje največji dovoljeni toplotni tok za različne debeline sten za 10.000 ur življenjske dobe z<20 μm metal loss.

Zunanji premer plašča (mm) Debelina stene (mm) Maks. Moč za 10.000-urno življenjsko dobo pri 400 stopinjah (ekvivalent W/cm²) Največji toplotni tok (W/cm2) za<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm dolžine 4,0 Kompaktni, nizko{2}}zmogljivi grelniki
10.0 1.2 70 W/cm dolžine 4,5 Splošni namen 10.0 1.5 85 W/cm dolžine 5,0 Standardna industrijska 12.0 1.5 100 W/cm dolžine 5,5 Zmerna moč
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Velika moč, dolga življenjska doba
14.0 2.0 150 W na cm dolžine 6,5 Podaljšana življenjska doba
200 W na cm dolžine 7,0 Najdaljša življenjska doba (z nadgradnjo iz zlitine) 16.0 2.5
Praktične smernice za načrtovanje 400-stopinjskih grelnikov zraka

Za oplaščene grelnike zraka iz jekla 316, ki delujejo pri temperaturi plašča 400 stopinj, bodo naslednje omejitve toplotnega toka povzročile življenjsko dobo 10 000 ur s sprejemljivo izgubo kovine.

Želena življenjska doba (ure) Največji toplotni tok (W/cm2) Izguba kovine (µm) Priporočene mere plašča 5.000<8 60-100 Standard 10 mm OD x 1.5 mm wall 10,000 <5 20-35 Larger diameter or lower wattage
20,000 <3.5 10-15 mm OD, 2.0 mm wall
40,000 <2.5 5-8 16 mm OD, 2.5 mm wall (or upgrade to 310)
Terenska diagnoza lomljenja zaradi toplotnega toka

Lopljenje oksida zaradi visokega toplotnega toka povzroči značilno hrapavost in stanjšanje površine grelnika 316, ki deluje 5.000–10.000 ur na zraku pri 400 stopinjah. Oksid na ovoju ni neprekinjena plast, ampak debela zdrobljena luska, prepredena z izpostavljeno kovino, kjer je pred kratkim prišlo do lomljenja. Na razpokanih delih so lahko plitve, okrogle vdolbine na kovinski površini. Premer plašča bo izmerjen z mikrometrom, da se pokaže lokalna zmanjšanja od 0,1 do 0,3 mm glede na prvotno dimenzijo. Za takšne grelnike bo 30-40-odstotno zmanjšanje toplotnega toka (s povečanjem površine ali zmanjšanjem moči) podaljšalo življenjsko dobo na ciljnih 10.000 ur.

Sklepi: Nastavitev mejnih vrednosti toplotnega toka za dolge grelnike zraka

Za grelnike z ohišjem iz nerjavečega jekla 316, ki delujejo na zrak pri 400 stopinjah, je največji dovoljeni toplotni tok za 10.000 ur življenjske dobe z izgubo kovine<20 µm is about 5 W/cm^2. Oxide spalling is common at heat fluxes > 6-8 W/cm2, and metal loss accelerates to 60-100 µm in 10,000 hours - enough to jeopardise a 1.5 mm wall in 20,000-30,000 hours. The heat flux shall not be greater than 5 W/cm2 for 10,000 hours service. The engineers selecting 316 air heaters shall determine the heat flux from the wattage and sheath surface area. For higher heat fluxes one needs larger diameter sheaths or lower wattages. The methodology given here correlates heat flux to measurable oxide spalling rates and overall metal loss, allowing buyers to specify 316 sheaths that retain their wall thickness and integrity over the design life in air heating service at 400°C.