حداکثر شار حرارتی مجاز در دمای غلاف 400 درجه در هوا از ریزش بیش از حد اکسید و از بین رفتن فلزات لوله های بخاری فولادی ضد زنگ 316 بعد از 10000 ساعت جلوگیری می کند.

شار گرما-رژیم اکسیداسیون محدود برای قرار گرفتن طولانی مدت{1}}در معرض هوا

برای 316 لوله گرمایش الکتریکی محصور شده از جنس استنلس استیل که در دمای غلاف 400 درجه در هوا کار می‌کنند، یک وضعیت معمول برای بخاری‌های هوای صنعتی، اجاق‌ها و بخاری‌های کانالی، شار حرارتی اعمال‌شده (W/cm2) هم سرعت رشد اکسید و هم تمایل به پوسته شدن پوسته را کنترل می‌کند. در حالی که حداکثر دمای غلاف اغلب محدودیت اصلی طراحی است، شار حرارتی به طور مستقل گرادیان حرارتی را در سراسر لایه اکسید و تنش‌های حرارتی حاصل که منجر به پوسته شدن می‌شود، دیکته می‌کند. اکسید روی 316 در 400 درجه عمدتاً Cr2O3 با مقداری Fe2O3 است و به طور کلی محافظ است. با این حال، برای شارهای حرارتی بالاتر از 6 وات بر سانتی‌متر مربع، گرادیان دما در سراسر لایه اکسید (معمولاً 10{11}}50 میکرومتر ضخامت) کرنش‌هایی بیشتر از قدرت چسبندگی اکسید-فلز ایجاد می‌کند و منجر به پوسته شدن دوره‌ای با افزایش تلفات فلز می‌شود. ریزش اکسید زیر 3 وات بر سانتی متر مربع ناچیز است و اتلاف فلز کمتر است<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

چگونه شار گرما باعث ریزش اکسید می شود

هنگامی که یک غلاف 316 در دمای سطح 400 درجه در معرض هوا قرار می گیرد، مقیاس اکسید با سرعتی وابسته به دمای سطح و زمان افزایش می یابد. با این حال، شار حرارتی (نرخ انتقال گرما از طریق دیواره غلاف) باعث ایجاد اختلاف دما در سطح تماس اکسید-فلزی می‌شود. سطح خارجی لایه اکسیدی در دمای غلاف اسمی (400 درجه) قرار دارد و تماس اکسید{6}}فلز به دلیل مقاومت حرارتی اکسید کمی خنک‌تر است. اندازه گرادیان متناسب با لایه اکسید و هدایت حرارتی آن است (~3-5 W/m·K برای Cr2O3). در شارهای حرارتی کم (<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)، افت دما می تواند 5-15 درجه باشد، به طوری که اکسید در هنگام رشد تحت تنش فشاری قرار می گیرد. هنگامی که خنک می شود ( بخاری خاموش می شود ) اکسید بیشتر از فلز منقبض می شود ( ضرایب انبساط حرارتی متفاوت ) و باعث ایجاد کرنش های کششی می شود که باعث پوسته شدن می شود .

کمی سازی شار حرارتی و ریزش اکسید در دمای 400 درجه سانتیگراد

آزمایش اکسیداسیون چرخه ای (مجموعاً 10000 ساعت، چرخه های 1 ساعته در دما، 30 دقیقه هوای اجباری خنک تا 100 درجه) از لوله های فولادی ضد زنگ 316 در دمای غلاف 400 درجه با شارهای حرارتی متفاوت (کنترل شده توسط متغیر ضخامت دیواره و دمای سیم داخلی) نرخ تلفات فلزی زیر را ایجاد کرده است.

شار حرارتی (W/cm 2) ضخامت اکسید پس از 10000 ساعت (μm) شروع ریزش (چرخه تا اولین ریزش) رویدادهای پوسته پاشی / 1000 چرخه تلفات کل فلز (μm) بعد از 10000 ساعت ضخامت دیوار باقیمانده (از 1.5 میلی‌متر شروع مجدد، سرویس 0-1 میلی‌متر توصیه می‌شود)<2 8-12 >10,000 (بدون پوسته شدن) 0 2-5 1,495-1,498 بله 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 1,400-1,440 غیر قابل قبول است
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
تأثیر ضخامت غلاف بر شار حرارتی مجاز

برای یک توان خروجی معین، اگر دیوارها ضخیم تر باشند، شار حرارت کمتر است، زیرا سطح بیرونی بزرگتر است. برای دو بخاری با قدرت یکسان، غلاف ضخیم تر (OD بزرگتر) شار حرارتی کمتری دارد. جدول زیر حداکثر شار حرارتی مجاز را برای ضخامت های مختلف دیوار برای عمر 10000 ساعته نشان می دهد.<20 μm metal loss.

قطر بیرونی غلاف (میلی متر) ضخامت دیوار (میلی متر) حداکثر. وات برای 10000 ساعت عمر در 400 درجه (معادل W/cm²) حداکثر شار حرارتی (W/cm2) برای<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 وات/سانتی متر طول 4.0 بخاری کم مصرف-
10.0 1.2 70 طول وات بر سانتی متر 4.5 مصارف عمومی 10.0 1.5 85 طول وات بر سانتی متر 5.0 استاندارد صنعتی 12.0 1.5 100 طول وات بر سانتی متر 5.5 توان متوسط
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 قدرت بالا، عمر طولانی
14.0 2.0 150 وات در هر سانتی متر طول 6.5 طول عمر بیشتر
200 وات بر سانتی متر طول 7.0 حداکثر عمر (با ارتقاء آلیاژ) 16.0 2.5
دستورالعمل های طراحی برای بخاری های هوای 400 درجه عملی

برای گرمکن‌های هوای روکش دار فولادی 316 که در دمای غلاف 400 درجه کار می‌کنند، محدودیت‌های شار حرارتی زیر باعث عمر مفید 10 000 ساعت با اتلاف فلز قابل قبول می‌شود.

عمر سرویس مورد نظر (ساعت) حداکثر شار حرارتی (W/cm2) تلفات فلزی (μm) ابعاد غلاف توصیه شده 5000<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)
تشخیص میدانی پوسته شدن ناشی از شار حرارتی

پوسته پوسته شدن اکسید به دلیل شار حرارتی زیاد باعث زبری و نازک شدن سطح متمایز بخاری 316 می شود که 5000 تا 10000 ساعت در هوا در دمای 400 درجه کار می کند. اکسید روی غلاف یک لایه پیوسته نیست، بلکه یک مقیاس شکسته ضخیم است که با فلزی که اخیراً پوسته پوسته شدن در آن رخ داده، پراکنده شده است. قسمت های پوسته شده ممکن است فرورفتگی های کم عمق دایره ای را در سطح فلز نشان دهند. قطر غلاف با یک میکرومتر اندازه گیری می شود تا کاهش موضعی 0.1 تا 0.3 میلی متر از بعد اصلی را نشان دهد. برای چنین بخاری‌هایی، کاهش 30 تا 40 درصدی در جریان گرما (با افزایش سطح یا کاهش وات) طول عمر را تا 10000 ساعت هدف افزایش می‌دهد.

نتیجه‌گیری: تنظیم محدودیت‌های شار حرارتی برای بخاری‌های هوای طولانی

برای 316 گرمکن فولادی ضد زنگ در عملکرد هوا در دمای 400 درجه، حداکثر شار حرارتی مجاز برای 10000 ساعت عمر با اتلاف فلز<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.