Kako debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 utječe na kritični fluks topline i rizik od sagorijevanja u potopljenim električnim uronjenim grijačima za primjenu s kipućom vodom?

Za procesne inženjere koji razvijaju električne uranjajuće grijače za primjenu kipuće vode - električne kotlove za vodu, generatore pare i industrijske kotlove, na primjer - fenomen kritičnog toplotnog fluksa je ključno ograničenje performansi grijača. Režim ključanja prelazi s ključanja jezgri na filmsko ključanje kada protok topline iz omotača od nehrđajućeg čelika 316 u okolnu vodu prijeđe graničnu vrijednost. Kod filmskog ključanja, para formira kontinuirani sloj na površini omotača i koeficijent prijenosa topline drastično opada tako da temperatura omotača brzo raste. Ova pojava, nazvana izgaranjem, može povećati temperaturu omotača za stotine stupnjeva u sekundi, uzrokujući oksidaciju otporne žice, kvar MgO izolacije ili pucanje omotača. Debljina stijenke omotača 316 određuje veličinu kritičnog toplotnog toka i vrijeme termalne reakcije nakon početka ključanja filma. Ovaj rad procjenjuje odnos između debljine stijenke plašta i rizika od izgaranja te nudi kriterije odabira za primjenu kipuće vode pod visokim tokovima topline.

Fizika kritičnog toplotnog fluksa i sagorevanja u omotaču 316
Mjesta nukleacije na površini (316 omotač) su mjesta na kojima se formiraju mjehurići pare. Mjehurići se odvajaju i uzdižu kroz tečnost efikasno oduzimajući toplotu. Za nukleatno ključanje vode koeficijent prolaza toplote bi bio od 5000 do 50000 W/m2.K. To zavisi od stanja površine i temperaturne razlike. Kako se toplinski tok povećava, učestalost i gustina proizvodnje mjehurića se povećavaju. Kod kritičnog toplotnog toka mjehurići pare se spajaju i stvaraju kontinuirani premaz pare na površini omotača. Toplotna provodljivost parnog premaza je oko 20 puta niža od one tečne vode, što uzrokuje značajno povećanje toplinske otpornosti. Isti toplotni tok zahtijeva povećanje temperature površine omotača, ali debljina filma pare također raste s temperaturom, stvarajući samoodrživi izolacijski sloj. Za omotač 316 u zasićenoj vodi na 100 stepeni, kritični protok toplote je obično 1.000–1.500 kW/m² (100–150 W/cm²). Ovo je daleko više od radnog opsega industrijskih uranjajućih grijača, koji rade na 5-30 W/cm 2. Međutim, male vruće tačke, površinsko onečišćenje ili poremećaji protoka mogu smanjiti lokalni kritični toplinski tok na vrijednosti od oko 50-80 W/cm2. Grejač sa faktorom vruće tačke od 50% na 20 W/cm2 može premašiti lokalni kritični toplotni tok. Temperatura raste vrlo brzo kada filmsko vrenje počne na dijelu omotača i parni film može pokriti cijelu površinu.

Kako debljina zida mijenja rezultate izgaranja
Kada omotač 316 dostigne ključanje filma, koeficijent prijenosa topline opada sa otprilike 10.000 W/m2·K na oko 500 W/m2·K. Za konstantnu gustoću u vatima od 20 W/cm 2 (200 000 W/m 2) razlika u temperaturi između omotača i potrebne vode povećava se od 20 C za ključanje jezgri do 400 C za ključanje filma. Temperatura površine omotača tako raste sa 120 stepeni na oko 500 stepeni. Ovo povećanje temperature je trenutno trenutno u poređenju sa termalnom vremenskom konstantom omotača. Važna briga je da li će temperatura žice unutrašnjeg otpora dostići svoj dozvoljeni nivo – obično 800 stepeni – pre nego što operater ili kontrolni sistem prepoznaju stanje i smanje snagu? Temperatura žice je temperatura unutrašnje površine omotača plus pad temperature preko MgO izolacije i bilo kakvih međufaznih zazora do unutrašnje površine omotača. Za plašt sa tankim{20}}stinama od 0,8-1,0 mm, temperatura žice tokom ključanja filma može dostići 900-1000 stepeni u roku od 5-10 sekundi, što dovodi do brze oksidacije i kvara. Termička masa debelog (2,0-2,5 mm) omotača apsorbira toplinu tokom prvog ključanja filma, odgađajući porast temperature žice za 20-40 sekundi. Ovo kašnjenje daje senzoru temperature ili termičkom prekidu više vremena da reaguje. Ali deblji omotač također zadržava više topline, tako da kada se zagrije, potrebno je više vremena da se ohladi nakon što se napajanje isključi. Konačni rezultat je da su omotači s debelim zidovima tolerantniji na kratkotrajne ekskurzije ključanja filma, ali su teže oštećeni ako je ekskurzija dugotrajna.

Modifikacija površine za povećanje kritičnog toplotnog toka
Mikrostruktura površine i kvašenje kao ključni faktori koji utiču na kritični toplotni tok 316 omotača Glatka polirana površina ima niži kritični toplotni tok od hrapave ili porozne površine, to je zbog manjeg mesta nukleacije. Uobičajena obrada površine za omote debljine manje od 1,2 mm, koristeći proceduru swaging je 0,4–0,8 mikrona Ra. Za omote sa debelim zidovima preko 1,8 mm površina može biti grublja zbog različitih proizvodnih postupaka sa završnim slojem od 1,0-2,0 mikrona Ra. Grublja površina može povećati kritični toplotni tok za 20-30% zbog povećanih mjesta nukleacije. U procesu ključanja, omoti debelih zidova tako pružaju dvostruku prednost, naime, imaju veću termičku masu da odgađaju oštećenje od izgaranja, a njihova tipično grublja površina povećava prag za izgaranje. U sljedećoj tabeli su navedene preporučene debljine stijenki za 316 plašta za kipuću vodu, prema radnoj gustoći u vatima i kvaliteti vode.

Gustoća u vatima Kvalitet vode Preporučena minimalna debljina zida 316 Preporučena maksimalna debljina zida 316 Kritična granica toplotnog toka Zaštitni mehanizam od pregaranja
do 15 W/cm2 Čisto, malo čvrstih materija 0,8 mm 1,6 mm 5 – 8× Tanki zid OK; mali rizik 15 – 25 W/cm² Čisto, malo čvrstih materija 1,2 mm 2,0 mm 3 – 5× Umjerena debljina daje toplinsku masu
25 – 35 W/cm² Čisto, malo čvrstih materija 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Potreban debeo zid za toleranciju sagorevanja
3 – 5× Deblji zid Vruća područja uzrokovana kamencem Tvrda voda, potencijal kamenca 1,2 mm 2,0 mm Do 15 W/cm²
15 – 25 W/cm² Tvrda voda, potencijal stvaranja kamenca 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Potreban je debeo zid; potrebno periodično uklanjanje kamenca
De-demineralizovana voda bilo koje gustine u vatima 1,0 mm 1,6 mm Varijabilna de-mineralizovana voda ima niži kritični toplotni tok; izbjegavajte veliku gustoću vata
Nerđajući čelik 316 se generalno ne preporučuje za aplikacije veće od 25 W/cm² u kipućoj vodi, bez obzira na debljinu zida. Granica kritičnog toplotnog toka je premala, a bilo koja prolazna situacija kao što je pad nivoa vode, varijacija pritiska ili površinsko onečišćenje može izazvati sagorevanje. U takvim slučajevima, inženjeri bi mogli istražiti upotrebu Incoloy 825 ili obloženog grijača s ugrađenim termoelementima i regulacijom aktivne snage.

Dizajnerski pristupi za prevenciju izgaranja tankih{0}}oplata
Tri dizajnerska rješenja mogu umanjiti rizik od izgaranja kada je potrebno koristiti omotač od 316 s tankim-stinama < 1,2 mm u opskrbi kipućom vodom, obično za brzu termičku reakciju. Prvi i najvažniji je uspostavljanje redundantnog sistema za mjerenje temperature. Brzi porast temperature ključanja filma može se osjetiti termoelementom pričvršćenim na površini omotača ili otpornim temperaturnim detektorom umetnutim u MgO za 1-2 sekunde, pokrećući prekid napajanja prije nego što se žica ošteti. Druga tehnika je da se radi sa fiksnim limiterom snage koji ograničava gustoću u vatima da ne prelazi 80% izračunatog kritičnog toplotnog fluksa na osnovu kvaliteta vode. Ovo može ograničiti rad na 40–50 W/cm² za demineraliziranu vodu, koja je još uvijek visoka, ali daje malo pufera. Treća tehnika je poboljšanje cirkulacije vode na površini omotača. Kritični toplotni tok ključanja prinudnom konvekcijom može biti tri puta veći od ključanja u bazenu. Sigurna radna granica može se povećati sa 100 W/cm 2 na 300 W/cm 2 upotrebom cirkulacijske pumpe ili miješalice. Ako se ove taktike ne primjenjuju, omotač debelih zidova je najlakši i najpouzdaniji način da se spriječi izgaranje u aplikacijama s kipućom vodom. Smanjenje toplotne efikasnosti debelog zida je prihvatljivo za prednosti sigurnosti i pouzdanosti.