Koja je maksimalna dozvoljena debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 za primjenu parnog grijanja pod niskim-pritiskom na 130 stepeni Celzijusa sa povratom kondenzata?

Procesni inženjeri koji konstruiraju električne uranjajuće grijače za parne sisteme niskog{0}}pritiska, kao što su parne košulje, komore za ovlaživanje i oprema za sterilizaciju, suočavaju se s jedinstvenim skupom ograničenja s postojanjem povrata kondenzata. Za razliku od primjene čiste vode ili suhe pare, sistemi povrata kondenzata imaju mješavinu tekuće vode, otopljenog kisika i tipično količine ugljične kiseline u tragovima iz otopljenog ugljičnog dioksida. Okolina je donekle korozivna za nehrđajući čelik 316, posebno na sučelju vode{4}}pare gdje gradijenti koncentracije kisika proizvode lokaliziranu koroziju. Količina korozije određena je debljinom stijenke omotača 316 i, što je još važnije, temperaturom površine u poređenju sa temperaturom zasićenja pare. Ako je temperatura površine plašta preniska, potiče stvaranje kondenzatnog premaza i korozije, ali ako je previsoka, povećava ljuštenje i toplinsko naprezanje. Ovaj članak definira maksimalnu dozvoljenu debljinu stijenke za 316 omotača u povratnoj parnoj službi kondenzata na osnovu stopa korozije i optimizacije prijenosa topline.

Mehanizmi korozije u povratu parnog kondenzata
Pritisak zasićenja pare niskog pritiska na 130 stepeni je oko 2,7 bara apsolutno. Kada para naiđe na površinu ispod temperature zasićenja, ona proizvodi kondenzat u obliku tekućeg premaza. Ovaj kondenzat sakuplja kiseonik i ugljen-dioksid iz pare i iz vazduha u-ispuštanju, i formira umereno kiseli rastvor, sa pH od 4,5 do 6.0. 316 nerđajući čelik pokazuje u ovom okruženju stope korozije generalno od 0,02–0,08 mm/godišnje u zavisnosti od sadržaja kiseonika i brzine regeneracije kondenzata. Što je još važnije, lokalizirani napad{10}}korozija udubljenja i pukotina{11}}se javlja u vodenoj liniji gdje plašt prodire u sloj kondenzata. Formiranje ćelija koncentracije kisika može rezultirati stopama korozije u blizini vodene linije koje su dva do pet puta veće od stope potpuno uronjene. Za peto-godišnju konstrukciju grijača vijeka trajanja, potrebna je količina korozije od 0,2–0,4 mm za opću koroziju + 0.3–0,6 mm je potrebno za napad vodene linije. Plašt od 1,0 mm ne bi imao dovoljnu marginu i perforirao bi za dvije do tri godine. Plašt od 1,6 mm daje adekvatnu marginu za petogodišnji vijek trajanja. Međutim, deblji zidovi mogu dovesti do više temperature površine plašta pri datoj gustoći u vatima, što može utjecati na ponašanje kondenzacije.

Utjecaj debljine stijenke na stvaranje filma kondenzata i koroziju
Za grijač koji radi u pari na 130 stepeni, temperatura površine omotača treba biti viša od temperature zasićenja kako bi se izbjeglo stvaranje filma kondenzata. Uslovi suve pare bez tečne vode na omotaču se dobijaju kada je temperatura površine 5-10 stepeni iznad zasićenja. 316 brzina korozije u suvoj pari je skromna - < 0,01 mm godišnje. Gore navedene stope korozije odnose se na kontinuirani film kondenzata na ili ispod temperature površine zasićenja. Temperatura površine omotača izračunava se kao temperatura pare u količini plus porast temperature zbog toplotnog toka kroz zid omotača. Deblji zid dodaje otpor provodljivosti i tako povećava temperaturu površine za datu gustinu u vatima. Plašt sa debelim zidovima zapravo može spriječiti koroziju tako što održava površinu suhom. Plašt sa uskim zidovima može biti hladniji i podstaći napad kondenzata. Zamislite grijač od 8 W/cm² u pari od 130 stepeni. Temperatura vanjske površine omotača zida 316 od 1,0 mm je oko 133 stepena, samo 3 stepena iznad zasićenja. Granične okolnosti mogu proizvesti povremeni kondenzat. Temperatura vanjske površine zidnog omotača od 1,6 mm je oko 138 stepeni - 8 stepena iznad zasićenosti, stoga postoji sigurna margina za rad na suhom. Nije dodatak materijala ono što minimizira koroziju, već promjena stanja površine iz mokrog u suvo ono što osigurava debeli zid. Ovo je važna lekcija za dizajn parnog sistema: veći zidovi mogu biti dobri za otpornost na koroziju čak i u situacijama kondenzacije.

Preporučena debljina zida za povrat kondenzata za paru
U sljedećoj tablici su navedene prihvatljive debljine stijenke plašta za električne uronjene grijače u parnom radu niskog tlaka s povratom kondenzata. Vrijednosti su izračunate za kontinuirani rad, kvalitet pare tipičan za industrijske kotlovske sisteme i predviđeni vijek trajanja od 5 godina.

Temperatura pare Radna gustina u vatima Preporučena Minimalna 316 Debljina zida Preporučena Maksimalna 316 Debljina zida Površinska temperatura omotača pri maksimalnoj debljini Očekivana stopa korozije Dominantni režim kvara 110 stepeni (1,4 bar) 6 – 10 W/cm21,0 mm² 1 stepen. 0,05 – 0,10 mm/godina Korozija kondenzatnog filma 120 stepeni (2,0 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 125 – 132 stepena 0,03 – 0,08 mm/godišnje Prelazno mokro/suvo 130 stepeni (2,7 bara) 5 mm – 2,7 bara. 135 – 145 stepeni Ispod 0,02 mm/godišnje (suvo)
Bilo koja temperatura, isprekidana kondenzacija 4 – 8 W/cm² 1,6 mm 2,5 mm Varijabilno 0,08 – 0,15 mm/godišnje (mokri ciklusi) Pitting vodene linije
Za temperature pare koje prelaze 140 stepeni, temperatura površine omotača može premašiti 160 stepeni na debelim zidovima, što može dovesti do lokalizovanog ključanja i razvoja kamenca ako su otopljene čestice prisutne u vodi. U ovim slučajevima poželjno je da se postigne niska-debljina krajnjeg zida unutar specificiranog raspona. Za temperature pare ispod 120 stepeni teško je uspostaviti uslove suvog omotača sa bilo kojom praktičnom debljinom zida jer je temperatura zasićenja niska, a porast temperature usled toplotnog fluksa je ograničen. U radu sa parom na niskim{7}}temperaturama, inženjeri bi trebali prihvatiti da će postojati film kondenzata i stoga specificirati debljinu zida na osnovu dopuštenja korozije, a ne rada na suho.

Modifikacije dizajna za postizanje rada suhog omotača s tankim zidovima
Ako je za rad na pari potreban plašt od 316 sa-tankim stijenkama ispod 1,2 mm (obično za brzu termičku reakciju u sistemima niskog pritiska), tri promjene dizajna mogu rezultirati radom na suho uprkos nižem porastu temperature. Jedan je da se poveća gustoća vata. Povećanje gustoće u vatima sa 5 W/cm² na 10 W/cm² može povećati temperaturu površine omotača za oko 15-20 stepeni i može promijeniti rad sa vlažnog na suvi. Kompromis-veći rizik od lokalnog pregrijavanja ako se zaustavi protok pare. Drugo podešavanje je da radi grijač u povremenom načinu rada na višoj vršnoj temperaturi. Grejač koji kruži između 130 stepeni i 180 stepeni provešće većinu svog vremena iznad temperature zasićenja, sa samo kratkim periodima kontakta kondenzata tokom pokretanja. Ako je grijač u suhom stanju za nekoliko minuta, oštećenja od korozije tijekom pokretanja su ograničena. Konačna promjena je ugradnja odvoda kondenzata kako bi se spriječilo stvaranje tekuće vode oko grijača. U nedostatku bilo kakvog stojećeg kondenzata, stopa korozije je znatno smanjena čak i ako je površina vlažna s tankim filmom. Za većinu industrijskih parnih sistema debljina zida od 1,6 mm je dobar kompromis između dopuštene korozije, margine rada u suvom stanju i mehaničke čvrstoće. Inženjeri moraju obezbijediti potrebnu marginu površinske temperature, često 5-10 stepeni iznad zasićenja, i zamoliti proizvođača da odredi debljinu zida i kombinaciju gustoće u vatima koja će obezbijediti ovu marginu. Snabdjevač koji nije u mogućnosti da izvrši ovu procjenu možda neće cijeniti posebne potrebe usluge parnog kondenzata.