Jaka jest maksymalna dopuszczalna grubość osłony dla grzejników rurowych z żebrami ze stali nierdzewnej 316 przy przepływie powietrza-o dużej prędkości (10–25 m/s)?

Podstawowy kompromis-w nagrzewnicach powietrza z wymuszoną konwekcją

Ożebrowane grzejniki rurowe ze stali nierdzewnej 316 są często stosowane w nagrzewnicach kanałowych, centralach wentylacyjnych i suszarniach, gdzie korozyjne chemikalia unoszące się w powietrzu, takie jak mgła solna, rozcieńczone kwasy lub wilgotne spaliny przemysłowe, wymagają odporności na korozję stali austenitycznej zawierającej molibden-. Zastosowanie żeber znacznie zwiększa powierzchnię wymiany ciepła; niemniej jednak grubość osłony poniżej żeberek jest ważnym parametrem konstrukcyjnym. Większe ściany zapewniają lepszą odporność na erozję-korozję i naprężenia mechaniczne wynikające z wibracji generowanych przez przepływ przy dużej prędkości przepływu powietrza (10-25 m/s). Jednak każdy dodatkowy milimetr grubości zwiększa opór cieplny od drutu oporowego do nasady płetwy, zmniejszając w ten sposób całkowitą moc cieplną i zwiększając temperaturę osłony. W tym badaniu obliczono graniczną grubość ścianek żebrowanych nagrzewnic ze stali nierdzewnej 316 do pracy z wymuszonym obiegiem powietrza, w których przekroczone są limity termiczne, co powoduje przegrzanie, zwiększoną korozję i przedwczesną awarię mocowań żeber.

Integralność mechaniczna i erozja-Korozja w powietrzu poruszającym się z dużą prędkością

316 stainless steel will erode-corrode measurably at air velocities >10 m/s, przenosząc cząstki zawieszone (pył, kryształy soli lub ciała stałe procesowe). Warstwa pasywna ulega ciągłemu zużyciu, a znajdujący się pod nią metal jest usuwany z szybkością od 0,02 do 0,10 mm rocznie, w zależności od obciążenia cząstkami i kąta uderzenia. W przypadku grzejnika, który musi pracować 40 000 godzin (około 5 lat ciągłej pracy), ścianka o grubości 1,2 mm straci 0,1-0,5 mm, być może mniej niż 1,0 mm. Zwykle jest to w porządku w przypadku systemów powietrza o niskim ciśnieniu. Jednak większym problemem mechanicznym są wibracje-wywołane przepływem. Rury żebrowane mają duży obszar rzutu na przepływ powietrza, a przy 15-25 m/s wirowania mogą powodować zmienne naprężenia prowadzące do pęknięć zmęczeniowych na połączeniu żebra z osłoną lub na stałych końcach rury. Trwałość zmęczeniowa cienkościennej rury jest znacznie krótsza niż rury grubszej, ponieważ amplituda naprężenia przemiennego dla danego ugięcia jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki. W przypadku rury o średnicy zewnętrznej 12 mm i rozpiętości niepodpartej 500 mm przy przepływie powietrza 20 m/s obliczone zmienne naprężenie zginające jest rzędu 35 MPa dla ściany o grubości 1,2 mm i tylko 18 MPa dla ściany o grubości 2,4 mm, co oznacza dwukrotne zmniejszenie. Granica wytrzymałości dla wyżarzonej stali nierdzewnej 316 wynosi około 240 MPa, dlatego obie wartości są bezpieczne. Jednakże koncentracja naprężeń w spoinach żeberek lub połączeniach walcowanych może zwiększyć lokalne naprężenia 3-5 razy. W takich przypadkach grubsza ściana stanowi ważny margines bezpieczeństwa przed pojawieniem się pęknięć zmęczeniowych. Integralność mechaniczna ma grubość minimalną, a nie maksymalną. Im grubszy, tym lepsza odporność na zmęczenie i erozję.

Opór cieplny i ograniczenie przegrzania

W przypadku żebrowanych nagrzewnic powietrza obciążenie cieplne spowodowane grubymi ścianami jest większe niż w przypadku zanurzeniowych podgrzewaczy cieczy ze względu na znacznie niższy współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła (zwykle 50–200 W/m2K w porównaniu z 500-5000 W/m2K w przypadku cieczy). Ogólny opór cieplny jest zdominowany przez warstwę graniczną2od strony powietrza, chociaż opór powłoki jest nadal ważny. W rurze żebrowanej ciepło musi przewodzić przez osłonę promieniowo do podstawy żebra. Zwiększono grubość powłoki z 1,2 mm do 2,4 mm, podwajając długość kanału przewodzącego. Przewodność cieplna stali nierdzewnej 316 w temperaturze 100 stopni wynosi 16,3 W/m·K. Dodatkowy opór cieplny na mm grubości wynosi około 0,0037 m 2 K/W. Współczynnik konwekcji dla powietrza przy 15 m/s wynosi 120 W/m 2 K, a opór powietrza wynosi 0,0083 m 2 K/W . Zwiększenie grubości ścianki o 1,2 mm zwiększa całkowitą rezystancję o prawie 45%, jednocześnie zmniejszając wytwarzanie ciepła o około 30% przy tej samej temperaturze płaszcza. Ale co ważniejsze, przy danym poborze mocy elektrycznej, grubsza ścianka wymaga zwiększenia temperatury drutu oporowego. Maksymalna temperatura drutu dla izolacji z tlenku magnezu (wewnętrznego dielektryka) wynosi zazwyczaj 800–850 stopni. Używanie przewodu powyżej tego limitu spowoduje degradację izolacji i przedwczesną awarię grzejnika. Zatem istnieje maksymalna grubość powłoki, powyżej której wewnętrzna temperatura drutu nie jest możliwa do utrzymania przy wymaganej gęstości mocy. W przypadku typowego użebrowanego grzejnika ze stali nierdzewnej 316 o gęstości watów (w przeliczeniu na powierzchnię żeber) 3-5 W/cm2 w powietrzu o prędkości 20 m/s przy wlocie pod kątem 50 stopni, maksymalna dopuszczalna grubość osłony wynosi około 2,0-2,2 mm, tak aby temperatura drutu mogła być utrzymana poniżej 800 stopni. Powyżej tej wartości należy obniżyć parametry nagrzewnicy, co oznacza dłuższy lub większy zespół nagrzewnic, aby uzyskać ten sam wzrost temperatury powietrza.

Przepływ powietrza o dużej-prędkości- Scenariusz-Przewodnik po wyborze

Poniższa tabela podaje zalecenia dotyczące maksymalnej grubości osłony dla żebrowanych grzejników rurowych ze stali nierdzewnej 316 pracujących w trybie wymuszonego przepływu powietrza, w oparciu o prędkość powietrza, obciążenie cząsteczkami i wymaganą gęstość mocy.

Warunki pracy i gęstość mocy Kompromisy mechaniczne i termiczne Maksymalna dopuszczalna grubość ścianki
Czyste powietrze (bez cząstek) 10-15 m/s 4 W/cm2 Praca przerywana 1,5 mm Erozja nieznaczna. Stres związany ze zmęczeniem jest niski. Cienka ścianka umożliwia maksymalne przenoszenie ciepła i utrzymuje temperaturę drutu znacznie poniżej 800 o C. Standardowa grubość rury z lamelami.
Mgła solna lub wilgotne kwaśne powietrze, 15-20 m/s, 3,5 W/cm², praca ciągła 1,8–2,0 mm Szybkość korozji i erozji 0,03–0,05 mm/rok. 2.0 mm 40 000 godzin naddatku na erozję Pozostało 1,2–2,0 mm Temperatura drutu 750–780 stopni . Sprawdź za pomocą symulacji termicznej.
Powietrze obciążone cząstkami (pył, włókna), 20-25 m/s, 3 W/cm2, wysokie ryzyko wibracji 2,2 mm Szybkość erozji do 0,10 mm/rok. 50 % w stosunku do. 1.2 mm grubości ścianki minimalizuje naprzemienne naprężenia zmęczeniowe. Należy ograniczyć gęstość watów, aby zapewnić temperaturę drutu<800 C. Expect 25-35 % decreased heat output per tube.
Very high velocity (>25 m/s) lub ciągłe uderzanie cząstek. Niezalecane w przypadku konstrukcji żebrowanych. Żebra są łapaczami cząstek i szybko ulegają degradacji. Zmień grzejnik rurowy na goły z grubszą ścianką (2,5-3,0 mm) lub z osłoną ceramiczną. Nieodpowiednia geometria żeber.
Czyste powietrze, niska prędkość (5-10 m/s), dowolna gęstość mocy 1,2-1,5 mm Brak erozji, problem zmęczenia. Cieńsza ścianka zapewnia szybszą reakcję. Grubości większe niż 1,5 mm są marnotrawstwem materiału i zmniejszają wydajność bez żadnego zysku.
Dodatkowe czynniki projektowe uzupełniające grubość ścianki

W przypadku ogrzewania powietrzem o dużej prędkości istnieje bardzo silna interakcja grubości ścianki z konstrukcją żeber, metodą mocowania i układem systemu. Po pierwsze, mocowanie żeberek – żebra lutowane-lub spawane o wysokiej częstotliwości zapewniają większy transfer ciepła niż żebra ekspandowane mechanicznie, a osłona może być nieco grubsza bez przekraczania ograniczeń dotyczących temperatury drutu. Po drugie, gęstość żeberek - zmniejszająca odstęp żeberek (mniejsza liczba żeberek na metr) zmniejsza powierzchnię wymiany ciepła, ale także zmniejsza spadek ciśnienia i wzbudzanie wibracji. Mniejsza gęstość żeber pozwala na zastosowanie grubszej powłoki dla danej temperatury drutu. Po trzecie, filtrowanie powietrza wlotowego - i usuwanie cząstek większych niż 10 µm zmniejsza szybkość erozji o 70-90%, umożliwiając zastosowanie cieńszych, bardziej wydajnych termicznie ścian. Po czwarte, odstęp podpór rurowych - Zmniejszenie rozpiętości niepodpartej z 600 mm do 300 mm zmniejsza ośmiokrotnie amplitudy drgań generowanych przez przepływ, równoważąc korzyści zmęczeniowe wynikające z grubych ścian. Wreszcie, twardość materiału - określona dla stali nierdzewnej 316 ciągnionej na zimno (większa granica plastyczności niż wyżarzana) zwiększa odporność na erozję bez zwiększania grubości.

Wniosek: Określenie maksymalnej dopuszczalnej grubości dla usług lotniczych

Wybór grubości osłony żebrowanych grzejników rurowych ze stali nierdzewnej 316 przy przepływie powietrza o dużej prędkości jest kompromisem pomiędzy dwoma przeciwstawnymi ograniczeniami. Trwałość mechaniczna wymaga grubszej ścianki, aby wytrzymać erozję i zmęczenie, podczas gdy ograniczenia termiczne narzucają maksymalną grubość, powyżej której wewnętrzne temperatury drutu będą niebezpieczne. Osiągalne maksimum dla większości przemysłowych zastosowań z wymuszonym obiegiem powietrza przy 15–20 m/s przy łagodnym obciążeniu cząsteczkami wynosi 1,8–2,0 mm. Zapewnia to wystarczającą tolerancję na erozję i bufor zmęczeniowy, utrzymując jednocześnie temperaturę drutu w granicach 800 stopni dla izolacji z tlenku magnezu. Ogólnie rzecz biorąc, grzejniki żebrowe nie nadają się do prędkości powietrza powyżej 25 m/s lub ciężkich warunków obciążenia cząstkami, niezależnie od grubości ścianki, dlatego projektant powinien zastosować gołe grzejniki rurowe z powłokami ochronnymi lub innymi materiałami. Przy określaniu należy zawsze podać prędkość powietrza, przewidywane stężenie cząstek, gęstość żeberek i maksymalną dopuszczalną temperaturę drutu. Zmienia to podstawową specyfikację grubości ścianki na pełną ocenę kompatybilności z powietrzem o dużej prędkości, bezpośrednio korelującą wybór wymiarów zarówno z niezawodnością mechaniczną, jak i bezpieczeństwem termicznym.