Koja je maksimalna dozvoljena debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 za grijač niske -Watt-uronjene gustine koji radi u stagnirajućim, visoko-temperaturama termalnog ulja iznad 150 stepeni Celzijusa?

Procesni inženjeri zaduženi za održavanje sistema fluida za prenos toplote u hemijskim postrojenjima, operacijama oblikovanja plastike i postrojenjima za preradu hrane suočeni su sa jedinstvenim skupom ograničenja kada biraju električne grejače za uranjanje za termalno ulje. Sistemi zasnovani na vodi imaju veoma veliku gustinu u vatima zbog jakih koeficijenata prenosa toplote, dok termalna ulja imaju veoma slabe karakteristike prenosa toplote, otprilike jednu desetinu do jedne dvadesetine vode. U situacijama stagniranja ili niskog protoka ulje u kontaktu sa omotačem grijača može se zagrijati na temperature koje su mnogo veće od temperature tečnosti u rasutom stanju, što rezultira termičkim propadanjem, koksom i eventualnim kvarom grijača. Debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 je kritično važna za ovaj mehanizam kvara, jer je temperatura vanjske površine funkcija debljine stijenke za određenu gustoću u vatima. Objavljena ograničenja degradacije ulja i principi prijenosa topline koriste se za definiranje maksimalne prihvatljive debljine stijenke za 316 omotača pri niskoj -vat-gustini, visokoj{8}}temperaturi termalnog ulja.

Mehanizmi degradacije termalnog ulja i granice površinske temperature
Termalna ulja su organske tekućine koje na previsokim temperaturama mogu doživjeti termičko pucanje i oksidaciju. Maksimalna dozvoljena temperatura filma (temperatura na interfejsu uljnog-plašca) zavisi od hemije ulja, ali je normalno između 250 i 350 stepeni za mineralna ulja i između 320 i 400 stepeni za sintetička aromatična ulja. Iznad ovih temperatura dolazi do ubrzane proizvodnje nerastvorljivih polimera, ugljičnih naslaga i kaustičnih nusproizvoda. Kada na površini omotača postoji premaz od koksa ili polimera, površina omotača funkcioniše kao izolaciona barijera, dodatno povećavajući temperaturu omotača i ubrzavajući razgradnju u ciklusu beženja. Za 316 omotača od nehrđajućeg čelika potopljenih u stagnirajuće termalno ulje, površinska temperatura se izračunava kao T_s=T_b + (q× R_s) gdje je T_b zapreminska temperatura, q je gustoća u vatima, a R_s je ukupni otpor sistema, koji je zbir provodljivog zida i otpora provodnog sloja uljnog omotača. U stacionarnom ulju, konvektivni otpor je najvažniji i izuzetno je nelinearan zbog slabe prirodne konvekcije i velike varijacije karakteristika ulja s temperaturom. Industrijsko iskustvo je pokazalo da se većina mineralnih ulja može bezbedno koristiti do temperature površine omotača od 316 stepeni, a sintetika visokog kvaliteta do 320 stepeni. Ova ograničenja direktno se pretvaraju u maksimalnu dozvoljenu gustoću u vatima za određenu debljinu zida.

Utjecaj debljine stijenke na temperaturu površine ulja u mirovanju
Pri datoj gustoći u vatima, povećanje debljine stijenke plašta od 316 povećava temperaturu vanjske površine za istu količinu kao i dodatni toplinski otpor. Porast temperature od mase do površine omotača izračunat je za stacionarno ulje na 150 stepeni C zapreminske temperature i prirodnom konvekcijskom koeficijentu prijenosa topline od ~200 W/m2K-tipičnom za umjereno viskozna ulja. Plašt od 1,0 mm 316 pri 4 W/cm² daje površinsku temperaturu od otprilike 235 stepeni, znatno ispod granice mineralnog ulja od 260 stepeni. Isti grijač, ali sa omotačem od 1,6 mm postiže 255 stepeni, približavajući se granici. Sa plaštom od 2,0 mm površinska temperatura je 270 stepeni što je iznad dozvoljene granice za većinu mineralnih ulja. Pri debljini zida od 2,5 mm, temperatura površine je 290 stepeni, što ubrzava propadanje ulja i koksovanje. Gusto... Za sintetička ulja granica od 320 stepeni C. Pri 4 W/cm 2, omotač od 2,0 mm daje 270 stepeni, mnogo ispod granice sintetičkog ulja. Čak i omotač od 2,5 mm pri 4 W/cm² daje samo 290 stepeni, što je još uvijek prihvatljivo za sintetiku dobrog kvaliteta. Međutim, kako se temperatura ulja u rasutom stanju penje na 180 ili 200 stepeni, površinska temperatura raste u skladu s tim, a maksimalna prihvatljiva debljina zida opada.

Maksimalna preporučena debljina zida za servis termalnog ulja
Tabela ispod predlaže maksimalno 316 debljina stijenke omotača za potopne grijače niske -watt-a koji se koriste u stacionarnom ili -uslugama sa niskim protokom termalnog ulja. Vrijednosti su za kontinuirani rad, čisto ulje bez prethodnog kvarenja i sa sigurnosnim puferom od 15 stepeni ispod maksimalne temperature filma koju je naveo proizvođač.

Tip termalnog ulja Maksimalna temperatura ulja u rasutom stanju Preporučena Opseg gustine u vatima Maksimalno 316 Debljina stijenke omotača Očekivani rizik od koksovanja
Mineralno ulje standardnog kvaliteta 120 stepeni 3 – 5 W/cm² 1,6 mm Nisko na 1,6 mm; umjereno iznad
Standardni stepen 150 stepeni 2 – 4 W/cm² 1,2 mm Umeren na 1,2 mm; visoko iznad
Mineralno ulje, visoka temperatura 180 stepeni 1,5 – 3 W/cm 2 1.0 mm Visok rizik, razmotrite sintetičko ulje
Sintetičko aromatično ulje 150 stepeni 3 – 6 W/cm² 2,0 mm Nisko na 2,0 mm; umjeren na 2,5 mm
Sintetičko aromatično ulje 200 stepeni 2 – 4 W/cm² 1,6 mm Blago na 1,6 mm; ozbiljna na 2,0 mm
Sintetičko aromatično ulje 250 stepeni 1 – 2,5 W/cm² 1,2 mm Visoka opasnost; potrebno je stalno praćenje
Sintetičko aromatično ulje sa protokom 200 stepeni 4 – 8 W/cm2 2.0 mm Nizak rizik sa prisilnom cirkulacijom
U svim primjenama termičkog ulja gdje je temperatura veće od 150 stepeni i debljina stijenke omotača veća od 1,6 mm, inženjeri moraju tražiti od proizvođača grijača da obezbijedi termičku studiju koja izračunava tačnu temperaturu vanjske površine na osnovu datih parametara prijenosa topline ulja. U ovim postavkama generičke preporuke nisu dovoljne. Nadalje, najpouzdaniju zaštitu od propadanja ulja pruža termoelement direktno postavljen na površinu plašta. Ako je zabilježena temperatura omotača blizu maksimalne temperature filma ulja, gustinu grijača treba smanjiti ili povećati cirkulaciju ulja. Pažljiv izbor debljine zida je ekonomičan prijedlog. Troškovi zamjene koksanog ulja i čišćenja zagađenog grijača često su pet do deset puta veći od cijene grijača.