W jaki sposób grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 wpływa na krytyczny strumień ciepła i ryzyko przepalenia w zanurzonych elektrycznych podgrzewaczach zanurzeniowych do zastosowań z wrzącą wodą?

Dla inżynierów zajmujących się procesami opracowującymi elektryczne grzałki zanurzeniowe do zastosowań z wrzącą wodą – na przykład czajniki elektryczne, generatory pary i kotły przemysłowe – zjawisko krytycznego strumienia ciepła jest kluczowym ograniczeniem wydajności grzejnika. Reżim wrzenia zmienia się z wrzenia zarodkowego na wrzenie filmowe, gdy przepływ ciepła z osłony ze stali nierdzewnej 316 do otaczającej wody przekracza wartość progową. Podczas wrzenia filmowego para tworzy ciągłą warstwę na powierzchni osłony, a współczynnik przenikania ciepła drastycznie spada, tak że temperatura osłony szybko rośnie. Zjawisko to, zwane wypaleniem, może podnieść temperaturę powłoki o setki stopni w ciągu sekundy, powodując utlenienie drutu oporowego, uszkodzenie izolacji MgO lub pęknięcie powłoki. Grubość ścianki osłony 316 określa wielkość krytycznego strumienia ciepła i czas reakcji termicznej po rozpoczęciu wrzenia filmu. W artykule oceniano związek pomiędzy grubością ścianki osłony a ryzykiem przepalenia i przedstawiono kryteria wyboru do zastosowań z wrzącą wodą poddawanych dużym strumieniom ciepła.

Fizyka krytycznego strumienia ciepła i wypalenia w osłonach 316
Miejsca zarodkowania na powierzchni (otoczka 316) to miejsca, w których tworzą się pęcherzyki pary. Pęcherzyki oddzielają się i unoszą w cieczy, skutecznie odprowadzając ciepło. W przypadku wrzenia jądrowego wody współczynnik przenikania ciepła będzie wynosić od 5000 do 50000 W/m2.K. Zależy to od stanu powierzchni i różnicy temperatur. Wraz ze wzrostem strumienia ciepła wzrasta częstotliwość i gęstość wytwarzania pęcherzyków. Przy krytycznym strumieniu ciepła pęcherzyki pary łączą się, tworząc ciągłą powłokę parową na powierzchni osłony. Przewodność cieplna powłoki parowej jest około 20 razy niższa niż ciekłej wody, co powoduje znaczny wzrost oporu cieplnego. Ten sam strumień ciepła wymaga wzrostu temperatury powierzchni osłony, ale grubość warstwy pary również rośnie wraz z temperaturą, tworząc-samopodtrzymującą warstwę izolacyjną. W przypadku osłony 316 w wodzie nasyconej o temperaturze 100 stopni krytyczny przepływ ciepła wynosi zwykle 1000–1500 kW/m² (100–150 W/cm²). Jest to znacznie więcej niż zakres roboczy przemysłowych grzałek zanurzeniowych, które pracują przy mocy 5–30 W/cm2. Jednakże małe gorące punkty, zanieczyszczenia powierzchni lub zakłócenia przepływu mogą obniżyć lokalny krytyczny strumień ciepła do wartości około 50–80 W/cm2. Grzejnik o współczynniku gorącego punktu 50% i mocy 20 W/cm2 może przekroczyć lokalny krytyczny strumień ciepła. Temperatura wzrasta bardzo szybko, gdy na części osłony rozpoczyna się wrzenie filmu, a warstwa pary może pokryć całą powierzchnię.

Jak grubość ścianki zmienia skutki wypalenia
Kiedy powłoka 316 osiąga wrzenie, współczynnik przenikania ciepła spada z około 10 000 W/m2·K do około 500 W/m2·K. Dla stałej gęstości watów wynoszącej 20 W/cm 2 (200 000 W/m 2 ) wymagana różnica temperatur pomiędzy osłoną i wodą wzrasta z 20°C dla wrzenia zarodkowego do 400°C dla wrzenia filmowego. Temperatura powierzchni osłony wzrasta w ten sposób od 120 stopni do około 500 stopni. Ten wzrost temperatury jest praktycznie natychmiastowy w porównaniu z termiczną stałą czasową osłony. Ważną kwestią jest to, czy wewnętrzna temperatura drutu oporowego osiągnie dopuszczalny poziom – zwykle 800 stopni – zanim operator lub system sterowania rozpozna stan i zmniejszy moc? Temperatura drutu to temperatura wewnętrznej powierzchni osłony plus spadek temperatury poprzez izolację MgO i wszelkie szczeliny międzyfazowe do wewnętrznej powierzchni osłony. W przypadku cienkiej-osłony o grubości 0,8–1,0 mm temperatura drutu podczas wrzenia folii może osiągnąć 900–1000 stopni w ciągu 5–10 sekund, co prowadzi do szybkiego utleniania i uszkodzenia. Masa termiczna grubej (2,0-2,5 mm) osłony pochłania ciepło podczas pierwszego wrzenia folii, opóźniając wzrost temperatury drutu o 20-40 sekund. To opóźnienie daje czujnikowi temperatury lub wyłącznikowi termicznemu więcej czasu na reakcję. Ale grubsza osłona zatrzymuje również więcej ciepła, więc gdy się nagrzeje, ochłodzenie zajmuje więcej czasu po odłączeniu zasilania. Ostateczny wynik jest taki, że osłony o grubych ściankach są bardziej tolerancyjne na krótkotrwałe zagotowanie błony, ale ulegają poważniejszemu uszkodzeniu, jeśli wychylenie jest długotrwałe.

Modyfikacja powierzchni w celu poprawy krytycznego strumienia ciepła
Mikrostruktura powierzchni i zwilżalność jako kluczowe czynniki wpływające na krytyczny strumień ciepła powłoki 316 Gładka wypolerowana powierzchnia ma niższy krytyczny strumień ciepła niż powierzchnia szorstka lub porowata, jest to spowodowane mniejszą liczbą miejsc zarodkowania. Typowe wykończenie powierzchni osłon o grubości mniejszej niż 1,2 mm przy zastosowaniu procedury kształtowania wynosi 0,4–0,8 mikrona Ra. W przypadku grubościennych osłon o grubości powyżej 1,8 mm powierzchnia może być bardziej chropowata ze względu na różne procedury produkcyjne przy wykończeniu o grubości 1,0-2,0 mikrona Ra. Bardziej chropowata powierzchnia może zwiększyć krytyczny strumień ciepła o 20-30% ze względu na zwiększone miejsca zarodkowania. W warunkach wrzenia grubościenne osłony mają zatem podwójną zaletę, a mianowicie mają większą masę termiczną, aby opóźnić uszkodzenia spowodowane wypaleniem, a ich zazwyczaj bardziej chropowata powierzchnia zwiększa próg wypalenia. W poniższej tabeli podano zalecane grubości ścianek osłon 316 pracujących w wodzie wrzącej, w zależności od gęstości operacyjnej w watach i jakości wody.

Gęstość watów Jakość wody Zalecana minimalna grubość ścianki 316 Zalecana maksymalna grubość ścianki 316 Krytyczny strumień ciepła Margines Mechanizm zabezpieczający przed wypaleniem
do 15 W/cm2 Czysty, o niskiej zawartości cząstek stałych 0,8 mm 1,6 mm 5 – 8× Cienkie ścianki OK; niskie ryzyko 15 – 25 W/cm² Czyste, o niskiej zawartości części stałych 1,2 mm 2,0 mm 3 – 5× Umiarkowana grubość daje masę termiczną
25 – 35 W/cm² Czysta, niska zawartość części stałych 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Grubość ścianki wymagana dla tolerancji wypalenia
3 – 5× Grubsza ściana Gorące obszary spowodowane kamieniem Twarda woda, potencjał osadzania kamienia 1,2 mm 2,0 mm Do 15 W/cm²
15 – 25 W/cm² Twarda woda, potencjał kamienia 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Wymagana gruba ściana; wymagane okresowe odkamienianie
Dowolna gęstość watów Woda de-zmineralizowana 1,0 mm 1,6 mm Zmienna Woda de-zmineralizowana ma niższy krytyczny strumień ciepła; unikać dużej gęstości mocy
Stal nierdzewna 316 generalnie nie jest zalecana do zastosowań o mocy większej niż 25 W/cm² we wrzącej wodzie, niezależnie od grubości ścianki. Margines krytycznego strumienia ciepła jest zbyt mały i każda sytuacja przejściowa, taka jak spadek poziomu wody, zmiana ciśnienia lub zanieczyszczenie powierzchni, może spowodować wypalenie. W takich przypadkach inżynierowie mogą rozważyć zastosowanie Incoloy 825 lub grzejnika płaszczowego z wbudowanymi termoparami i regulacją mocy czynnej.

Podejścia projektowe mające na celu zapobieganie wypaleniu-cienkich osłon ściennych
Trzy rozwiązania konstrukcyjne mogą zmniejszyć ryzyko przepalenia, gdy-cienka osłona ze stali 316 o grubości < 1,2 mm jest stosowana we wrzącej wodzie, zwykle w celu szybkiej reakcji termicznej. Pierwszym i najważniejszym jest utworzenie redundantnego systemu pomiaru temperatury. Gwałtowny wzrost temperatury wrzenia folii można wykryć za pomocą termopary zaciśniętej na powierzchni osłony lub za pomocą rezystancyjnego czujnika temperatury umieszczonego w MgO w ciągu 1-2 sekund, co powoduje odcięcie zasilania, zanim drut ulegnie uszkodzeniu. Druga technika polega na pracy ze stałym ogranicznikiem mocy, który ogranicza gęstość watów do nieprzekraczającej 80% obliczonego krytycznego strumienia ciepła na podstawie jakości wody. Może to ograniczyć działanie do 40–50 W/cm² w przypadku wody zdemineralizowanej, co jest nadal wysoką wartością, ale zapewnia pewien bufor. Trzecia technika polega na poprawie cyrkulacji wody na powierzchni osłony. Krytyczny strumień ciepła w przypadku wrzenia z wymuszoną konwekcją może być trzy razy większy niż w przypadku wrzenia w basenie. Bezpieczną granicę działania można zwiększyć ze 100 W/cm 2 do 300 W/cm 2 za pomocą pompy obiegowej lub mieszadła. Jeśli ta taktyka nie zostanie zastosowana, grubościenna osłona będzie najłatwiejszą i najbardziej niezawodną metodą zapobiegania wypaleniu w zastosowaniach z wrzącą wodą. Zmniejszenie wydajności cieplnej grubej ściany jest akceptowalne ze względu na bezpieczeństwo i niezawodność.