چگونه ضخامت دیواره غلاف فولادی زنگ نزن 316 بر شار حرارتی بحرانی و خطر فرسودگی در بخاری های غوطه ور الکتریکی غوطه ور برای کاربردهای آب جوش تأثیر می گذارد؟

برای مهندسان فرآیندی که بخاری‌های غوطه‌وری الکتریکی را برای کاربردهای آب جوش توسعه می‌دهند - مثلاً کتری‌های برقی، ژنراتورهای بخار، و دیگ‌های صنعتی - پدیده شار حرارتی بحرانی یک محدودیت کلیدی در عملکرد بخاری است. هنگامی که جریان گرما از غلاف فولادی ضد زنگ 316 به آب اطراف از یک مقدار آستانه عبور می کند، رژیم جوش از جوش هسته ای به جوش فیلم تغییر می کند. در جوشاندن فیلم، بخار یک لایه پیوسته روی سطح غلاف تشکیل می دهد و ضریب انتقال حرارت به شدت کاهش می یابد به طوری که دمای غلاف به سرعت بالا می رود. این پدیده که فرسودگی نامیده می شود، می تواند دمای غلاف را در چند ثانیه صدها درجه افزایش دهد و باعث اکسید شدن سیم مقاومت، شکست عایق MgO یا پارگی غلاف شود. ضخامت دیواره غلاف 316 بزرگی شار حرارتی بحرانی و زمان واکنش حرارتی را پس از شروع جوشش فیلم تعیین می کند. این مقاله رابطه بین ضخامت دیواره غلاف و خطر فرسودگی را ارزیابی می‌کند و معیارهای انتخاب برای کاربردهای آب جوش تحت شارهای حرارتی بالا را ارائه می‌دهد.

فیزیک شار حرارتی بحرانی و فرسودگی در غلاف های 316
مکان های هسته زایی روی سطح (غلاف 316) مکان هایی هستند که حباب های بخار تشکیل می شوند. حباب ها جدا می شوند و از طریق مایع بالا می روند و گرما را به طور موثری از بین می برند. برای جوشاندن هسته ای آب، ضریب انتقال حرارت از 5000 تا 50000 W/m2.K خواهد بود. این بستگی به وضعیت سطح و اختلاف دما دارد. با افزایش شار حرارتی، فرکانس و چگالی تولید حباب افزایش می یابد. در شار حرارتی بحرانی، حباب‌های بخار به هم می‌پیوندند تا یک پوشش بخار پیوسته روی سطح غلاف ایجاد کنند. هدایت حرارتی پوشش بخار حدود 20 برابر کمتر از آب مایع است که باعث افزایش قابل توجه مقاومت حرارتی می شود. همان شار گرمایی نیاز به افزایش دمای سطح غلاف دارد، اما ضخامت لایه بخار نیز با دما افزایش می‌یابد و یک لایه عایق{12}}خود نگهدار ایجاد می‌کند. برای یک غلاف 316 در آب اشباع در 100 درجه، جریان گرمای بحرانی معمولاً 1000-1500 کیلووات بر متر مربع (100-150 وات بر سانتی متر مربع) است. این بسیار بالاتر از محدوده عملیاتی بخاری‌های غوطه‌وری صنعتی است که با سرعت 5 تا 30 وات بر سانتی‌متر مربع کار می‌کنند. با این حال، نقاط داغ کوچک، رسوب‌زدگی سطح یا اختلالات جریان می‌توانند شار گرمای بحرانی محلی را به مقادیر حدود 50 تا 80 وات بر سانتی‌متر مربع کاهش دهند. یک بخاری فاکتور نقطه داغ 50% در 20 W/cm2 ممکن است از شار گرمای بحرانی محلی پیشی بگیرد. هنگامی که جوشیدن فیلم روی قسمتی از غلاف شروع می شود و فیلم بخار ممکن است کل سطح را بپوشاند، دما به سرعت افزایش می یابد.

چگونه ضخامت دیوار نتایج فرسودگی شغلی را تغییر می دهد
هنگامی که غلاف 316 به جوش فیلم می رسد، ضریب انتقال حرارت از حدود 10000 W/m2·K به حدود 500 W/m2·K کاهش می یابد. برای چگالی وات ثابت 20 وات بر سانتی‌متر مربع (200 000 وات بر متر مربع) اختلاف دمای بین غلاف و آب مورد نیاز از 20 درجه سانتی‌گراد برای جوشاندن هسته‌ها به 400 درجه سانتی‌گراد برای جوش فیلم افزایش می‌یابد. بنابراین دمای سطح غلاف از 120 درجه به حدود 500 درجه افزایش می یابد. این افزایش دما در مقایسه با ثابت زمانی حرارتی غلاف به طور موثر فوری است. نگرانی مهم این است که آیا دمای سیم مقاومت داخلی به حد مجاز خود - معمولاً 800 درجه - قبل از اینکه اپراتور یا سیستم کنترل شرایط را تشخیص دهد و توان را کاهش دهد، می رسد؟ دمای سیم، دمای سطح داخلی غلاف به اضافه افت دما از طریق عایق MgO و هرگونه شکاف سطحی به سطح داخلی غلاف است. برای یک غلاف دیوار نازک 0.8-1.0 میلی متری، دمای سیم در حین جوشیدن فیلم می تواند در عرض 5 تا 10 ثانیه به 900-1000 درجه برسد که منجر به اکسیداسیون و خرابی سریع می شود. جرم حرارتی غلاف ضخیم (2.0-2.5 میلی متر) گرما را در اولین رویداد جوش فیلم جذب می کند و افزایش دمای سیم را 20-40 ثانیه به تاخیر می اندازد. این تاخیر به سنسور دما یا قطع حرارتی زمان بیشتری برای واکنش می دهد. اما غلاف ضخیم‌تر نیز گرمای بیشتری را نگه می‌دارد، بنابراین وقتی داغ شد، پس از قطع برق خنک‌تر می‌شود. نتیجه نهایی این است که غلاف‌های دیواره ضخیم در برابر گردش‌های کوتاه‌مدت جوش فیلم مقاوم‌تر هستند، اما اگر گردش طولانی‌مدت باشد، آسیب بیشتری می‌بینند.

اصلاح سطح برای افزایش شار حرارتی بحرانی
ریزساختار سطح و ترشوندگی به عنوان عوامل کلیدی مؤثر بر شار گرمای بحرانی غلاف 316 یک سطح صیقلی صاف دارای شار گرمای بحرانی کمتری نسبت به سطح زبر یا متخلخل است، این به دلیل مکان‌های هسته‌زایی کمتر است. روکش معمولی سطح برای غلاف هایی با ضخامت کمتر از 1.2 میلی متر، با استفاده از روش swaging، 0.4-0.8 میکرون رادیوم است. برای غلاف‌های دیواره ضخیم بیش از 1.8 میلی‌متر، به دلیل روش‌های مختلف ساخت با پرداخت‌های 1.0-2.0 میکرون رادیوم، سطح می‌تواند زبرتر باشد. سطح زبرتر می تواند شار حرارتی بحرانی را 20-30٪ به دلیل افزایش مکان های هسته زایی افزایش دهد. بنابراین، در کار جوش، غلاف های دیواره ضخیم یک مزیت دوگانه را ارائه می دهند، یعنی جرم حرارتی بیشتری برای به تاخیر انداختن آسیب ناشی از فرسودگی دارند، و سطح معمولاً زبرتر آنها آستانه فرسودگی را افزایش می دهد. جدول زیر ضخامت دیوارهای توصیه شده برای 316 غلاف در سرویس آب جوش را با استفاده از چگالی وات و کیفیت آب نشان می دهد.

چگالی وات کیفیت آب حداقل ضخامت دیوار توصیه شده 316 حداکثر ضخامت دیوار توصیه شده 316 مکانیسم حفاظت از فرسودگی حاشیه شار حرارتی بحرانی
تا 15 W/cm2Clean، مواد جامد کم 0.8 میلی متر 1.6 میلی متر 5 – 8 × دیوار نازک خوب. کم خطر 15 – 25 وات بر سانتی متر مربع تمیز، مواد جامد کم 1.2 میلی متر 2.0 میلی متر 3 – 5× ضخامت متوسط ​​جرم حرارتی می دهد
25 – 35 وات بر سانتی‌متر مربع تمیز، مواد جامد کم 1.6 میلی‌متر 2.5 میلی‌متر 2 – 3× دیوار ضخیم برای تحمل فرسودگی لازم است
3 – 5× دیوار ضخیم تر مناطق داغ ناشی از رسوب آب سخت، پتانسیل پوسته پوسته شدن 1.2 میلی متر 2.0 میلی متر تا 15 وات بر سانتی متر مربع
15 – 25 وات بر سانتی متر مربع آب سخت، پتانسیل پوسته پوسته شدن 1.6 میلی متر 2.5 میلی متر 2 – 3× دیوار ضخیم مورد نیاز. رسوب زدایی دوره ای مورد نیاز است
هر چگالی وات بدون آب معدنی 1.0 میلی متر 1.6 میلی متر آب معدنی متغیر -شار گرمای بحرانی کمتری دارد. اجتناب از چگالی وات بالا
فولاد ضد زنگ 316 به طور کلی برای کاربردهای بیش از 25 وات بر سانتی متر مربع در آب جوش، صرف نظر از ضخامت دیواره توصیه نمی شود. حاشیه شار حرارتی بحرانی بسیار کم است و هر موقعیت گذرا مانند افت سطح آب، تغییر فشار یا رسوب سطحی می تواند باعث فرسودگی شود. در چنین مواردی، مهندسان ممکن است استفاده از Incoloy 825 یا یک بخاری غلاف دار با ترموکوپل های تعبیه شده و تنظیم توان فعال را بررسی کنند.

رویکردهای طراحی برای جلوگیری از فرسودگی غلاف‌های دیواره نازک-
سه راه‌حل طراحی ممکن است خطر فرسودگی را کاهش دهند، زمانی که یک غلاف نازک-دیواره 316 کمتر از 1.2 میلی‌متر در سرویس آب جوش استفاده شود، معمولاً برای پاسخ حرارتی سریع. اولین و مهمترین آن ایجاد یک سیستم اندازه گیری دما اضافی است. افزایش سریع دمای جوش فیلم را می توان توسط ترموکوپل بسته شده بر روی سطح غلاف یا توسط آشکارساز دمای مقاومتی که در MgO در 1{19}}2 ثانیه قرار داده شده است حس کرد و قبل از اینکه سیم آسیب ببیند، قطع برق را آغاز می کند. روش دوم اجرای با یک محدود کننده توان ثابت است که چگالی وات را بر اساس کیفیت آب به بیش از 80٪ شار گرمای بحرانی محاسبه شده محدود می کند. این می تواند عملیات را به 40 تا 50 وات بر سانتی متر مربع برای آب غیر معدنی محدود کند، که هنوز هم زیاد است اما مقداری بافر می دهد. روش سوم بهبود گردش آب در سطح غلاف است. شار حرارتی بحرانی جوش همرفت اجباری می تواند سه برابر بیشتر از جوش استخری باشد. با استفاده از پمپ گردش خون یا همزن می توان حد کارکرد ایمن را از 100 وات بر سانتی متر مربع به 300 وات بر سانتی متر مربع افزایش داد. اگر از این تاکتیک ها استفاده نشود، غلاف با دیواره ضخیم ساده ترین و قابل اعتمادترین روش برای جلوگیری از فرسودگی در کاربردهای آب جوش است. جریمه راندمان حرارتی دیوار ضخیم برای مزایای ایمنی و قابلیت اطمینان قابل قبول است.