Jaka jest maksymalna dopuszczalna grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 dla grzałki zanurzeniowej o małej-watowej-gęstości, pracującej w stojącym,-oleju termicznym o wysokiej temperaturze powyżej 150 stopni Celsjusza?

Inżynierowie procesu odpowiedzialni za konserwację systemów płynów przenoszących ciepło w zakładach chemicznych, operacjach formowania tworzyw sztucznych i zakładach przetwórstwa spożywczego stają przed wyjątkowym zestawem ograniczeń przy wyborze elektrycznych grzałek zanurzeniowych do obsługi oleju termicznego. Systemy na bazie wody mają bardzo wysoką gęstość watów ze względu na wysokie współczynniki przenikania ciepła, podczas gdy oleje termiczne mają bardzo słabą jakość przenoszenia ciepła, około jedną dziesiątą do jednej dwudziestej wody. W sytuacjach stagnacji lub niskiego przepływu olej stykający się z płaszczem grzejnika może zostać podgrzany do temperatur znacznie wyższych niż temperatura płynu w masie, co powoduje pogorszenie termiczne, koksowanie i ostateczną awarię grzejnika. Grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 ma kluczowe znaczenie dla tego mechanizmu awarii, ponieważ temperatura powierzchni zewnętrznej jest funkcją grubości ścianki dla określonej gęstości watów. Opublikowane ograniczenia degradacji oleju i zasady przenoszenia ciepła służą do określenia maksymalnej dopuszczalnej grubości ścianek dla powłok 316 w oleju termicznym o niskiej-watowej-gęstości i-wysokiej temperaturze.

Mechanizmy degradacji oleju termicznego i granice temperatury powierzchni
Oleje termiczne to ciecze organiczne, które w zbyt wysokich temperaturach mogą ulegać pękaniu termicznemu i utlenianiu. Maksymalna dopuszczalna temperatura filmu (temperatura na granicy faz-oleju) zależy od składu chemicznego oleju, ale zwykle wynosi od 250 do 350 stopni w przypadku olejów mineralnych i od 320 do 400 stopni w przypadku syntetycznych olejów aromatycznych. Poza tą temperaturą następuje przyspieszona produkcja nierozpuszczalnych polimerów, osadów węglowych i żrących produktów ubocznych-. Gdy na powierzchni osłony znajduje się powłoka z koksu lub polimeru, powierzchnia osłony działa jak bariera izolacyjna, dodatkowo zwiększając temperaturę osłony i przyspieszając degradację w cyklu niekontrolowanym. W przypadku osłon ze stali nierdzewnej 316 zanurzonych w stojącym oleju termicznym temperaturę powierzchni oblicza się jako T_s=T_b + (q× R_s) gdzie T_b to temperatura objętościowa, q to gęstość watowa, a R_s to całkowita rezystancja układu, która jest sumą rezystancji przewodzącej ścianki osłony i rezystancji konwekcyjnej warstwy granicznej oleju. W oleju stacjonarnym najważniejszy jest opór konwekcyjny, który jest niezwykle nieliniowy ze względu na słabą konwekcję naturalną i dużą zmienność właściwości oleju wraz z temperaturą. Doświadczenie branżowe pokazało, że większość olejów mineralnych może być bezpiecznie stosowana do temperatury powierzchni powłoki wynoszącej 316 stopni, a wysokiej jakości oleje syntetyczne – do 320 stopni. Ograniczenia te bezpośrednio przekładają się na maksymalną dopuszczalną gęstość mocy dla danej grubości ścianki.

Wpływ grubości ścianki na temperaturę powierzchni oleju w spoczynku
Przy danej gęstości watów zwiększenie grubości ścianki osłony 316 zwiększa temperaturę powierzchni zewnętrznej o tę samą wartość, co dodatkowy opór cieplny. Wzrost temperatury od masy do powierzchni osłony oblicza się dla oleju stacjonarnego o temperaturze masy 150 stopni C i współczynniku przenikania ciepła przez naturalną konwekcję wynoszącym ~200 W/m2K-, typowym dla olejów o średniej lepkości. Płaszcz 316 o grubości 1,0 mm i mocy 4 W/cm² daje temperaturę powierzchni około 235 stopni, czyli znacznie poniżej limitu dla oleju mineralnego wynoszącego 260 stopni. Ta sama grzałka, ale z osłoną 1,6 mm osiąga 255 stopni, zbliżając się do granicy. W przypadku powłoki o grubości 2,0 mm temperatura powierzchni wynosi 270 stopni, co przekracza dopuszczalną granicę dla większości olejów mineralnych. Przy grubości ścianki 2,5 mm temperatura powierzchni wynosi 290 stopni, co przyspiesza degradację oleju i koksowanie. Thic... Do olejów syntetycznych, granica 320 stopni C. Przy 4 W/cm2, powłoka o grubości 2,0 mm daje temperaturę 270 stopni, znacznie poniżej limitu dla oleju syntetycznego. Nawet osłona o grubości 2,5 mm przy 4 W/cm² daje tylko 290 stopni, co jest nadal akceptowalne w przypadku dobrej jakości materiałów syntetycznych. Jednakże, gdy temperatura oleju w masie wzrasta do 180 lub 200 stopni, temperatura powierzchni odpowiednio wzrasta, a maksymalna dopuszczalna grubość ścianki spada.

Maksymalna zalecana grubość ścianki dla oleju termicznego
Poniższa tabela sugeruje maksymalną grubość ścianek osłony wynoszącą 316 dla grzałek zanurzeniowych o małej-gęstości watów stosowanych w stacjonarnych lub olejach termicznych o niskim{{2}przepływie. Wartości dotyczą pracy ciągłej, czystego oleju bez wcześniejszego pogorszenia się i z buforem bezpieczeństwa 15 stopni poniżej maksymalnej temperatury filmu wskazanej przez producenta.

Typ oleju termicznego Maksymalna temperatura oleju w masie Zalecany zakres gęstości w watach Maksymalnie 316 Grubość ścianki osłony Oczekiwane ryzyko koksowania
Standardowy olej mineralny 120 stopni 3 – 5 W/cm² 1,6 mm Niski przy 1,6 mm; umiarkowane powyżej
Gatunek standardowy 150 stopni 2 – 4 W/cm² 1,2 mm Umiarkowany przy 1,2 mm; wysoko powyżej
Olej mineralny, odporny na wysokie temperatury 180 stopni 1,5 – 3 W/cm 2 1.0 mm Wysokie ryzyko, rozważ olej syntetyczny
Syntetyczny olej aromatyczny 150 stopni 3 – 6 W/cm² 2,0 mm Niski przy 2,0 mm; umiarkowane przy 2,5 mm
Syntetyczny olej aromatyczny 200 stopni 2 – 4 W/cm² 1,6 mm Łagodny przy 1,6 mm; poważny przy 2,0 mm
Syntetyczny olej aromatyczny 250 stopni 1 – 2,5 W/cm² 1,2 mm Wysokie zagrożenie; wymaga ciągłego monitorowania
Syntetyczny olej aromatyczny o przepływie 200 stopni 4 – 8 W/cm2 2.0 mm Niskie ryzyko w przypadku wymuszonego obiegu
We wszystkich zastosowaniach oleju termicznego, w których temperatura objętościowa jest większa niż 150 stopni, a grubość ścianki osłony jest większa niż 1,6 mm, inżynierowie muszą poprosić producenta grzejnika o dostarczenie badania termicznego, które oblicza dokładną temperaturę powierzchni zewnętrznej na podstawie danych parametrów wymiany ciepła oleju. W tych ustawieniach ogólne zalecenia nie wystarczą. Co więcej, najbardziej niezawodną ochronę przed zniszczeniem oleju zapewnia termopara zamontowana bezpośrednio na powierzchni płaszcza. Jeżeli zarejestrowana temperatura płaszcza jest bliska maksymalnej temperatury filmu olejowego, należy zmniejszyć gęstość mocy grzałki lub zwiększyć obieg oleju. Ostrożny wybór grubości ścianki jest propozycją ekonomiczną. Koszt wymiany oleju koksowego i czyszczenia zanieczyszczonego grzejnika jest często od pięciu do dziesięciu razy większy niż koszt grzejnika.