Jaki maksymalny dopuszczalny strumień ciepła przy temperaturze płaszcza w powietrzu wynoszącej 400 stopni zapobiega nadmiernemu odpryskiwaniu tlenków i utracie metalu z rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316 po 10 000 godzin

Strumień ciepła-Reżim ograniczonego utleniania w przypadku długotrwałego-wystawienia na działanie powietrza

W przypadku elektrycznych rur grzejnych typu 316 w obudowie ze stali nierdzewnej 316, pracujących w temperaturze płaszcza 400 stopni w powietrzu, co jest typową sytuacją w przemysłowych nagrzewnicach powietrza, piekarnikach i nagrzewnicach kanałowych, zastosowany strumień ciepła (W/cm2) kontroluje zarówno tempo wzrostu tlenku, jak i tendencję do odpryskiwania kamienia. Chociaż szczytowa temperatura powłoki jest często głównym ograniczeniem projektowym, strumień ciepła niezależnie dyktuje gradient termiczny w warstwie tlenku i wynikające z tego naprężenia termiczne, które prowadzą do odprysków. Tlenek 316 w temperaturze 400 stopni składa się głównie z Cr₂O₃ z niewielką ilością Fe₂O₃ i ogólnie ma działanie ochronne. Jednakże w przypadku strumieni ciepła powyżej 6 W/cm2 gradient temperatury w warstwie tlenku (zwykle o grubości 10-50 µm) powoduje odkształcenia większe niż siła adhezji tlenku do metalu i powoduje okresowe odpryskiwanie ze zwiększoną utratą metalu. Odpryskiwanie tlenków jest pomijalne poniżej 3 W/cm², a straty metalu są<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Jak strumień ciepła powoduje odpryskiwanie tlenku

Kiedy osłona 316 jest wystawiona na działanie powietrza o temperaturze powierzchni 400 stopni, kamień tlenkowy zwiększa się w tempie zależnym od temperatury powierzchni i czasu. Jednakże strumień ciepła (szybkość przenikania ciepła przez ścianę osłony) powoduje różnicę temperatur na styku tlenku-metalu. Zewnętrzna powierzchnia warstwy tlenku ma nominalną temperaturę powłoki (400 stopni), a styk-metalu z tlenkiem jest nieco chłodniejszy ze względu na opór cieplny tlenku. Wielkość gradientu jest proporcjonalna do warstwy tlenku i jej przewodności cieplnej (~3–5 W/m·K dla Cr2O3). Przy małych strumieniach ciepła (<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), spadek temperatury może wynosić 5-15 stopni, tak że tlenek podczas wzrostu podlega naprężeniu ściskającemu. Po ochłodzeniu (wyłączenie grzejnika) tlenek kurczy się bardziej niż metal (różne współczynniki rozszerzalności cieplnej), powodując odkształcenia rozciągające, które powodują odpryskiwanie.

Kwantyfikacja strumienia ciepła i odpryskiwania tlenków w temperaturze 400 oC

Cykliczne testy utleniania (łącznie 10 000 godzin, 1 godzinne cykle w temperaturze, 30 minut wymuszonego chłodzenia powietrzem do 100 stopni) rur ze stali nierdzewnej 316 w temperaturze płaszcza 400 stopni przy zmiennych strumieniach ciepła (kontrolowanych przez różną grubość ścianki i wewnętrzną temperaturę drutu) ustaliły następujące współczynniki odpryskiwania i utraty metalu.

Strumień ciepła (W/cm 2 ) Grubość tlenku po 10 000 godzin (μm) Początek odpryskiwania (cykle do pierwszego odprysku) Zdarzenia odpryskiwania / 1000 cykli Całkowita strata metalu (µm) Po 10 000 godzin Pozostała grubość ścianki (od początku 1,5 mm, µm) Zalecana do pracy przez 10 000 godzin<2 8-12 >10 000 (bez odprysków) 0 2-5 1,495-1,498 Tak 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 Niedopuszczalne
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Wpływ grubości osłony na dopuszczalny strumień ciepła

Dla danej mocy strumień ciepła jest mniejszy, jeśli ściany są grubsze, ponieważ powierzchnia zewnętrzna jest większa. W przypadku dwóch grzejników o tej samej mocy grubszy płaszcz (większa średnica zewnętrzna) zapewnia niższy strumień ciepła. Poniższa tabela ilustruje maksymalny dozwolony strumień ciepła dla różnych grubości ścianek dla żywotności 10 000 godzin przy<20 μm metal loss.

Średnica zewnętrzna osłony (mm) Grubość ścianki (mm) Max. Moc w watach przez 10 000 godzin Żywotność w temperaturze 400 stopni (odpowiednik W/cm²) Maksymalny strumień ciepła (W/cm2) dla<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm długości 4,0 Kompaktowe grzejniki-o małej mocy
10.0 1.2 70 W/cm długość 4,5 Ogólne zastosowanie 10.0 1.5 85 W/cm długość 5,0 Standardowy przemysłowy 12.0 1.5 100 W/cm długość 5,5 Umiarkowana moc
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Wysoka moc, długa żywotność
14.0 2.0 150 W na cm długości 6,5 Wydłużona żywotność
200 W na cm długości 7,0 Maksymalna trwałość (z ulepszonym stopem) 16.0 2.5
Praktyczne wytyczne projektowe dla nagrzewnic powietrza 400 stopni

W przypadku płaszczowych nagrzewnic powietrza ze stali 316 pracujących w temperaturze płaszcza 400 stopni, poniższe ograniczenia strumienia ciepła spowodują trwałość użytkową wynoszącą 10 000 godzin przy akceptowalnych stratach metalu.

Pożądany okres użytkowania (godziny) Maksymalny strumień ciepła (W/cm2) Strata metalu (µm) Zalecane wymiary osłony 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)
Diagnostyka terenowa odprysków spowodowanych strumieniem ciepła

Odpryskiwanie tlenków spowodowane dużym strumieniem ciepła powoduje charakterystyczne szorstkowanie i ścieńczenie powierzchni grzejnika 316 pracującego 5 000-10 000 godzin w powietrzu o temperaturze 400 stopni. Tlenek na powłoce nie jest ciągłą warstwą, ale grubą, popękaną zgorzeliną przeplataną odsłoniętym metalem, w miejscu, w którym niedawno nastąpiło odpryskiwanie. W przypadku odprysków na powierzchni metalu mogą występować płytkie, okrągłe wgłębienia. Średnica osłony będzie mierzona mikrometrem w celu wykazania lokalnego zmniejszenia o 0,1 do 0,3 mm w stosunku do pierwotnego wymiaru. W przypadku takich grzejników zmniejszenie przepływu ciepła o 30–40% (poprzez zwiększenie powierzchni lub zmniejszenie mocy) wydłuży żywotność do docelowych 10 000 godzin.

Wnioski: Ustalanie limitów strumienia ciepła dla długich nagrzewnic powietrza

W przypadku grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 pracujących w powietrzu przy temperaturze 400 stopni maksymalny strumień ciepła dopuszczalny przez 10 000 godzin życia przy utracie metalu wynoszącej<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.