Koji maksimalni dozvoljeni toplotni tok pri temperaturi omotača od 400 stepeni u vazduhu sprečava prekomerno lomljenje oksida i gubitak metala iz 316 cevi za grejanje od nerđajućeg čelika nakon 10.000 sati

Toplotni tok-Režim ograničene oksidacije za dugotrajno-izlaganje zraku

Za 316 električnih cijevi za grijanje u kućištu od nehrđajućeg čelika koje rade na temperaturi omotača od 400 stupnjeva u zraku, što je uobičajena situacija za industrijske grijače zraka, pećnice i kanalske grijače, primijenjeni toplinski tok (W/cm2) kontrolira i tempo rasta oksida i tendenciju ljuštenja kamenca. Dok je vršna temperatura omotača često glavno ograničenje dizajna, toplinski tok neovisno diktira toplinski gradijent preko oksidnog sloja i rezultirajuća toplinska naprezanja koja dovode do ljuštenja. Oksid na 316 na 400 stepeni je uglavnom Cr₂O₃ sa nešto Fe₂O₃ i općenito je zaštitni. Međutim, za toplinske fluksove iznad 6 W/cm2, temperaturni gradijent preko oksidnog sloja (obično debljine 10-50 µm) proizvodi naprezanja veća od adhezione čvrstoće oksid-metal i rezultira periodičnim ljuštenjem s povećanim gubitkom metala. Ljuštenje oksida je zanemarljivo ispod 3 W/cm², a gubitak metala je<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Kako toplotni tok uzrokuje lomljenje oksida

Kada je omotač 316 izložen zraku na temperaturi površine od 400 stepeni, oksidna skala se povećava brzinom koja ovisi o temperaturi površine i vremenu. Međutim, toplinski tok (brzina prijenosa topline kroz zid omotača) uzrokuje temperaturnu razliku preko oksidnog-metalnog kontakta. Spoljna površina oksidnog sloja je na nominalnoj temperaturi omotača (400 stepeni), a oksidni{6}}metalni kontakt je nešto hladniji zbog termičke otpornosti oksida. Veličina gradijenta je proporcionalna sloju oksida i njegovoj toplotnoj provodljivosti (~3–5 W/m·K za Cr2O3). Pri niskim toplotnim tokovima (<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), pad temperature može biti 5-15 stepeni, tako da je oksid pod pritiskom kada raste. Kada se ohladi (isključuje grijač) oksid se skuplja više od metala (različiti koeficijenti toplinske ekspanzije) uzrokujući vlačne deformacije koje izazivaju ljuštenje.

Kvantifikacija toplotnog toka i lomljenja oksida na 400 oC

Ispitivanje cikličke oksidacije (ukupno 10.000 sati, ciklusi od 1 sata na temperaturi, 30 minuta prinudnog hlađenja zrakom na 100 stepeni) cijevi od nehrđajućeg čelika 316 na temperaturi omotača od 400 stupnjeva sa različitim toplotnim tokovima (kontrolisanim promjenom debljine zida i unutrašnje temperature žice) utvrdilo je sljedeću stopu raspadanja i gubitka metala.

Toplotni tok (W/cm 2 ) Debljina oksida nakon 10.000 sati (μm) Početak ljuštenja (ciklusi do prvog odvajanja) Događaji ljuštenja / 1000 ciklusa Ukupni gubitak metala (µm) Nakon 10.000 sati Debljina preostalog zida (od 1,5 mm) za početak rada, µm000 h<2 8-12 >10,000 (bez lomljenja) 0 2-5 1,495-1,498 Da 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 Neprihvatljivo
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Utjecaj debljine omotača na dozvoljeni toplotni tok

Za datu izlaznu snagu, toplotni tok je manji ako su zidovi deblji, jer je vanjska površina veća. Za dva grijača iste snage, deblji omotač (veći OD) ima manji toplinski tok. Tabela ispod ilustruje maksimalni dozvoljeni toplotni tok za različite debljine zidova za životni vek od 10.000 sati sa<20 μm metal loss.

Spoljni prečnik omotača (mm) Debljina zida (mm) Maks. Snaga za život od 10.000 sati na 400 stepeni (ekvivalent W/cm²)Maksimalni toplotni tok (W/cm2) za<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm dužina 4,0 Kompaktni grijači male-snage
10.0 1.2 70 W/cm dužina 4,5 Opća namjena 10.0 1.5 85 W/cm dužina 5,0 Standardna industrijska 12.0 1.5 100 W/cm dužina 5,5 Umjerena snaga
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Velika snaga, dug vijek trajanja
14.0 2.0 150 W po cm dužine 6,5 Produženi vijek trajanja
200 W po cm dužine 7,0 Maksimalni vijek trajanja (sa nadogradnjom legure) 16.0 2.5
Praktične smjernice za dizajn grijača zraka od 400 stupnjeva

Za obložene grijače zraka od čelika 316 koji rade na temperaturi plašta od 400 stepeni, sljedeća ograničenja toplotnog toka rezultirat će vijekom trajanja od 10 000 sati uz prihvatljiv gubitak metala.

Željeni vijek trajanja (sati) Maksimalni toplotni tok (W/cm2) Gubitak metala (µm) Preporučene dimenzije omotača 5.000<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)
Terenska dijagnoza lomljenja zbog toplotnog toka

Ljuštenje oksida zbog visokog toplotnog fluksa uzrokuje izrazito hrapavost i stanjivanje površine grijača 316 koji radi 5.000-10.000 sati na zraku na 400 stepeni. Oksid na omotaču nije neprekidan sloj, već debela slomljena ljuska isprepletena otkrivenim metalom gdje je nedavno došlo do lomljenja. Izlomljeni dijelovi mogu pokazati plitke, kružne udubine na metalnoj površini. Prečnik omotača će se meriti mikrometrom kako bi se pokazalo lokalno smanjenje od 0,1 do 0,3 mm u odnosu na originalnu dimenziju. Za takve grijače, smanjenje protoka topline za 30-40% (povećanjem površine ili smanjenjem snage) produžit će vijek trajanja na ciljanih 10.000 sati.

Zaključci: Postavljanje granica toplotnog toka za duge grijače zraka

Za 316 grijača u kućištu od nehrđajućeg čelika koji rade na zraku na 400 stepeni, maksimalni dozvoljeni toplotni tok za 10.000 sati života uz gubitak metala od<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.