حداکثر ضخامت غلاف مجاز برای بخاری‌های لوله‌ای پره‌دار فولاد ضد زنگ 316 در جریان هوا با سرعت بالا (10 تا 25 متر بر ثانیه) چقدر است؟

تجارت اولیه-در گرمکن‌های هوای همرفت اجباری خاموش است

بخاری‌های لوله‌دار پره‌دار از فولاد ضد زنگ 316 اغلب در بخاری‌های مجرای، واحدهای انتقال هوا و اجاق‌های خشک‌کن استفاده می‌شوند، جایی که مواد شیمیایی خورنده موجود در هوا مانند اسپری نمک، اسیدهای رقیق یا اگزوزهای صنعتی مرطوب، به مقاومت در برابر خوردگی فولاد آستنیتی -دارای مولیبدن نیاز دارند. استفاده از باله ها به طور قابل توجهی سطح انتقال حرارت را افزایش می دهد. با این وجود، ضخامت غلاف زیر باله ها یک پارامتر طراحی مهم است. دیوارهای بزرگتر مقاومت بهتری در برابر فرسایش{4}}خوردگی و تنش مکانیکی ناشی از ارتعاشات ناشی از جریان در سرعت جریان هوای بالا (10-25 متر بر ثانیه) دارند. اما هر میلی متر ضخامت اضافی به مقاومت حرارتی سیم مقاومت تا ریشه باله می افزاید و در نتیجه حرارت خروجی کلی کاهش می یابد و دمای غلاف افزایش می یابد. این مطالعه ضخامت دیواره محدود کننده بخاری های فولادی ضد زنگ پره دار 316 را برای سرویس هوای اجباری که در آن از محدودیت های حرارتی فراتر رفته و منجر به گرم شدن بیش از حد، افزایش خوردگی و شکست زودرس اتصالات پره ها می شود، محاسبه می کند.

یکپارچگی مکانیکی و فرسایش-خوردگی در هوای با سرعت بالا

316 stainless steel will erode-corrode measurably at air velocities >10 متر بر ثانیه حامل ذرات معلق (گرد و غبار، کریستال های نمک یا مواد جامد فرآیند). فیلم غیرفعال به طور مداوم فرسوده می شود و فلز زیرین با نرخ 0.02 تا 0.10 میلی متر در سال بسته به بارگذاری ذرات و زاویه ضربه حذف می شود. برای بخاری که به 40000 ساعت (حدود 5 سال سرویس مداوم) نیاز دارد، دیوار 1.2 میلی متری 0.1- 0.5 میلی متر، شاید کمتر از 1.0 میلی متر از دست می دهد. این معمولا برای سیستم های هوای کم فشار مناسب است. با این حال، نگرانی مکانیکی بزرگتر، ارتعاشات ناشی از جریان است. لوله‌های پره‌دار دارای ناحیه گسترده‌ای برای جریان هوا هستند و با سرعت 15-25 متر بر ثانیه ریزش گرداب می‌تواند باعث ایجاد کرنش‌های متناوب شود که منجر به ترک‌خوردگی خستگی در اتصال باله به غلاف یا انتهای ثابت لوله می‌شود. عمر خستگی یک لوله با دیواره نازک به طور قابل توجهی کوتاهتر از یک لوله ضخیم تر است زیرا دامنه تنش متناوب برای یک انحراف معین با ضخامت دیواره رابطه معکوس دارد. برای لوله‌ای با قطر خارجی 12 میلی‌متر و دهانه بدون پشتیبانی 500 میلی‌متر در جریان هوای 20 متر بر ثانیه، تنش خمشی متناوب محاسبه‌شده در حد 35 مگاپاسکال برای دیوار 1.2 میلی‌متری و تنها 18 مگاپاسکال برای دیواره 2.4 میلی‌متری است - کاهشی به میزان دو برابر. حد استقامت برای فولاد ضد زنگ 316 آنیل شده حدود 240 مگا پاسکال است بنابراین هر دو مقدار ایمن هستند. با این حال، غلظت تنش در جوش های پره یا اتصالات نورد می تواند تنش های موضعی را با فاکتورهای 3-5 افزایش دهد. در چنین مواردی، یک دیوار ضخیم‌تر یک حاشیه ایمنی مهم در برابر شروع ترک‌های خستگی است. یکپارچگی مکانیکی دارای حداقل ضخامت است نه حداکثر. هر چه ضخیم تر باشد برای خستگی و مقاومت در برابر فرسایش بهتر است.

مقاومت حرارتی و محدودیت گرمای بیش از حد

جریمه حرارتی ناشی از دیواره‌های ضخیم در بخاری‌های هوای پره‌دار بدتر از بخاری‌های غوطه‌وری مایع است، زیرا ضریب انتقال حرارت همرفتی به‌طور قابل‌توجهی پایین‌تر است (معمولاً 50 تا 200 W/m2K در مقابل 500-5000 W/m2K برای مایعات). مقاومت حرارتی کلی تحت تسلط لایه مرزی هوا{22}}است، اگرچه مقاومت غلاف هنوز مهم است. در یک لوله پره دار، گرما باید از طریق غلاف به صورت شعاعی به پایه باله هدایت شود. ضخامت غلاف از 1.2 میلی متر به 2.4 میلی متر افزایش یافته است و طول کانال رسانا را دو برابر می کند. هدایت حرارتی فولاد ضد زنگ 316 در 100 درجه 16.3 W/m·K است. مقاومت حرارتی اضافی در هر میلی متر ضخامت حدود 0.0037 متر مربع K/W است. ضریب همرفتی برای هوا در 15 متر بر ثانیه 120 وات بر متر مربع کلوین و مقاومت سمت هوا 0.0083 متر مربع K/W است. افزایش ضخامت دیواره به میزان 1.2 میلی متر، مقاومت کلی را تقریباً 45 درصد افزایش می دهد، در حالی که تولید گرما را در همان دمای غلاف حدود 30 درصد کاهش می دهد. اما مهمتر از آن، برای یک ورودی توان الکتریکی معین، دیوار ضخیم تر نیاز به افزایش دمای سیم مقاومت دارد. حداکثر دمای سیم برای عایق اکسید منیزیم (دی الکتریک داخلی) به طور کلی 800-850 درجه است. کارکردن سیم بالاتر از این حد باعث تخریب عایق و خرابی زودرس بخاری می شود. بنابراین، حداکثر ضخامت غلاف وجود دارد که بیش از آن دمای سیم داخلی در چگالی توان لازم پایدار نیست. برای بخاری معمولی فولاد زنگ نزن 316 با چگالی وات (بر اساس سطح پره) 3-5 وات بر سانتی متر مربع در هوای 20 متر بر ثانیه در ورودی 50 درجه، حداکثر ضخامت غلاف مجاز حدود 2.0-2.2 میلی متر است به طوری که سیم را می توان زیر 800 درجه نگه داشت. بالاتر از این مقدار، بخاری باید کاهش یابد، به این معنی که بانک بخاری بلندتر یا بزرگتر برای افزایش دمای هوا یکسان است.

راهنمای انتخاب مبتنی بر سناریو-سرعت بالا-

جدول زیر حداکثر ضخامت غلاف را برای بخاری های لوله ای فولادی ضد زنگ پره دار 316 در سرویس هوای اجباری بر اساس سرعت هوا، بارگذاری ذرات و چگالی توان مورد نیاز ارائه می دهد.

شرایط عملیاتی و چگالی توان مکانیکی و حرارتی با حداکثر ضخامت دیوار مجاز
هوای پاک (بدون ذرات) 10-15 متر بر ثانیه 4 وات بر سانتی متر مربع کار متناوب 1.5 میلی متر فرسایش ناچیز. استرس خستگی کم است. دیواره نازک حداکثر انتقال حرارت را امکان پذیر می کند و دمای سیم را زیر 800 درجه سانتی گراد نگه می دارد. ضخامت لوله استاندارد با باله.
اسپری نمک یا هوای اسیدی مرطوب، 15-20 متر بر ثانیه، 3.5 وات بر سانتی‌متر مربع، عملکرد مداوم 1.8-2.0 میلی‌متر نرخ خوردگی-فرسایش 0.03-0.05 میلی‌متر در سال. 2.0 میلی‌متر 40000 ساعت مجاز فرسایش 1.2-2.0 درجه حرارت باقیمانده 1.2-2.0 میلی‌متر 7-5 میلی‌متر با شبیه سازی حرارتی بررسی کنید.
هوای مملو از ذرات (گرد و غبار، الیاف)، 20 تا 25 متر بر ثانیه، 3 وات بر سانتی‌متر مربع، خطر ارتعاش بالا 2.2 میلی‌متر نرخ فرسایش تا 0.10 میلی‌متر در سال. 50 % در مقابل{7}} میلی‌متر ضخامت دیواره، تنش خستگی متناوب را به حداقل می‌رساند. برای اطمینان از دمای سیم باید چگالی وات را محدود کرد<800 C. Expect 25-35 % decreased heat output per tube.
Very high velocity (>25 متر بر ثانیه) یا برخورد مداوم ذرات برای طراحی پره‌دار توصیه نمی‌شود. به بخاری لوله‌ای لخت با دیواره ضخیم‌تر (2.5 تا 3.0 میلی‌متر) یا محافظ سرامیکی تغییر دهید. هندسه پره دار ناکافی
هوای تمیز، سرعت کم (5-10 متر بر ثانیه)، هر چگالی توان 1.2-1.5 میلی متر بدون فرسایش، مشکل خستگی. دیوار نازکتر پاسخ سریع تری می دهد. ضخامت‌های بیش از 1.5 میلی‌متر باعث هدر رفتن مواد و بازده پایین‌تر بدون هیچ سودی می‌شود.
عوامل طراحی اضافی مکمل ضخامت دیوار

در گرمایش هوا با سرعت بالا، برهمکنش بسیار قوی ضخامت دیوار با طراحی پره، نحوه اتصال و چیدمان سیستم وجود دارد. اول، اتصال باله - باله‌های جوش‌کاری شده یا با فرکانس بالا انتقال حرارت بیشتری نسبت به باله‌های منبسط شده مکانیکی ارائه می‌کنند و غلاف را می‌توان بدون تجاوز از محدودیت‌های دمای سیم تا حدودی ضخیم‌تر کرد. ثانیاً، چگالی باله - کاهش گام باله (تعداد باله کمتر در هر متر) باعث کاهش سطح انتقال حرارت می شود، اما افت فشار و تحریک ارتعاش را نیز کاهش می دهد. چگالی باله کمتر اجازه می دهد تا غلاف ضخیم تر برای دمای سیم مشخص شود. سوم، فیلتر هوای ورودی - حذف ذرات بیش از 10 میکرومتر، نرخ فرسایش را تا 70{10}}90% کاهش می‌دهد و امکان استفاده از دیوارهای نازک‌تر و کارآمدتر از نظر حرارتی را فراهم می‌کند. چهارم، فاصله تکیه گاه لوله - کاهش دهانه بدون پشتیبان از 600 میلی متر به 300 میلی متر، دامنه ارتعاش ناشی از جریان را تا ضریب هشت کاهش می دهد و مزیت خستگی دیواره های ضخیم را جبران می کند. در نهایت، سختی مواد - که فولاد ضد زنگ 316 سرد کشیده را مشخص می‌کند (استحکام تسلیم بیشتری نسبت به آنیل شده) مقاومت در برابر فرسایش را بدون افزایش ضخامت افزایش می‌دهد.

نتیجه گیری: تعیین حداکثر ضخامت مجاز برای سرویس هوایی

انتخاب ضخامت غلاف برای بخاری‌های لوله‌ای فولادی زنگ نزن 316 در جریان هوای با سرعت بالا، معاوضه‌ای بین دو محدودیت متضاد است. دوام مکانیکی نیاز به دیوار ضخیم‌تری دارد تا در برابر فرسایش و خستگی مقاومت کند، در حالی که محدودیت‌های حرارتی حداکثر ضخامتی را تحمیل می‌کنند که فراتر از آن دمای سیم داخلی ناامن خواهد بود. حداکثر امکان پذیر برای اکثر کاربردهای هوای اجباری صنعتی در 15-20 متر بر ثانیه با بارگذاری ذرات خفیف 1.8-2.0 میلی متر است. این امر تحمل فرسایش و بافر خستگی کافی را فراهم می کند در حالی که دمای سیم را در محدوده 800 درجه برای عایق اکسید منیزیم حفظ می کند. به طور کلی بخاری‌های پره‌دار برای سرعت‌های هوای بالاتر از 25 متر بر ثانیه یا شرایط بارگذاری ذرات شدید بدون توجه به ضخامت دیوار مناسب نیستند و طراح باید از بخاری‌های لوله‌ای لخت با پوشش‌های محافظ یا مواد دیگر استفاده کند. هنگام تعیین، همیشه سرعت هوا، غلظت ذرات پیش بینی شده، چگالی باله و حداکثر دمای مجاز سیم را ذکر کنید. این یک مشخصات پایه ضخامت دیوار را به یک ارزیابی کامل سازگاری هوا با سرعت بالا تغییر می دهد که مستقیماً انتخاب ابعاد را با قابلیت اطمینان مکانیکی و ایمنی حرارتی مرتبط می کند.