Основният компромис-при въздушно отопление с принудителна конвекция
Оребрените тръбни нагреватели, изработени от неръждаема стомана 316, се използват широко в нагреватели за канали, климатични камери и сушилни, където корозивните съединения във въздуха-като солен спрей, разредени киселини или влажни промишлени изгорели газове-изискват корозионната устойчивост на молибден-съдържаща аустенитна стомана. Добавянето на ребра драстично увеличава площта на топлопреносната повърхност, но дебелината на обвивката под тези ребра остава критична променлива при дизайна. При високо{6}}скоростен въздушен поток (10–25 m/s) по-дебелите стени предлагат по-голяма устойчивост на ерозия-корозия и механична умора от вибрации,-предизвикани от потока. Въпреки това, всеки милиметър добавена дебелина увеличава термичното съпротивление от съпротивителния проводник до корена на перката, намалявайки общата топлинна мощност и повишавайки температурата на обвивката. Този анализ установява максимално допустимата дебелина на стената за оребрени нагреватели от неръждаема стомана 316 при работа с принудителен въздух, където превишаването на топлинната граница води до прегряване, ускорена корозия и преждевременна повреда на закрепването на перките.
Ерозия-Корозия и механична цялост във-високоскоростен въздух
Когато скоростите на въздуха надвишават 10 m/s и съдържат суспендирани частици (прах, солни кристали или технологични твърди вещества), неръждаемата стомана 316 изпитва измерима ерозия-корозия. Пасивният филм се изтрива непрекъснато, а металът под него се отстранява със скорост между 0,02 и 0,10 mm на година в зависимост от натоварването на частиците и ъгъла на удара. За нагревател, който се очаква да работи 40 000 часа (приблизително пет години непрекъсната работа), стена от 1,2 mm би загубила 0,1-0,5 mm, оставяйки потенциално по-малко от 1,0 mm. Това обикновено е приемливо за въздушни системи с ниско{14}}налягане. По-значителната механична заплаха обаче е вибрацията,-предизвикана от потока. Оребрените тръби представляват голяма проектирана площ за въздушния поток и при 15–25 m/s вихровото отделяне може да генерира променливи напрежения, които водят до напукване от умора в точките на закрепване на перката-към{-обвивката или в неподвижните краища на тръбата. Животът на умора на тръба с тънки-стени е значително по-кратък от този на по-дебела тръба, тъй като амплитудата на променливото напрежение за дадена деформация е обратно пропорционална на дебелината на стената. За тръба с външен диаметър 12 mm и неподдържан обхват 500 mm при въздушен поток от 20 m/s, изчисленото променливо напрежение на огъване е приблизително 35 MPa за стена от 1,2 mm и само 18 MPa за стена от 2,4 mm-коефициент на две намаление. Границата на издръжливост на загрята неръждаема стомана 316 е приблизително 240 MPa, така че и двете стойности са безопасни, но концентрациите на напрежение при заваръчни шевове или валцовани съединения могат да увеличат локалните напрежения с коефициенти 3-5. В такива случаи по-дебелата стена осигурява критична граница на безопасност срещу започване на пукнатини от умора. Максимално допустимата дебелина за механична цялост не е горна граница, а по-скоро долна граница-по-дебелата винаги е по-добра за устойчивост на умора и ерозия.
Термично съпротивление и ограничение на прегряване
Термичното наказание на дебелите стени в оребрените въздухонагреватели е по-сериозно, отколкото в течните потопяеми нагреватели, тъй като въздухът има много по-нисък коефициент на конвективен топлопренос (обикновено 50-200 W/m²·K в сравнение с 500-5000 W/m²·K за течности). Цялостното термично съпротивление се доминира от въздушния-граничен слой, но съпротивлението на обвивката остава значително. За оребрена тръба топлината трябва да преминава радиално през обвивката, преди да достигне основата на ребрата. Увеличаването на дебелината на обвивката от 1,2 mm на 2,4 mm удвоява дължината на проводящия път. За неръждаема стомана 316 с топлопроводимост 16,3 W/m·K при 100 градуса, допълнителното термично съпротивление е приблизително 0,0037 m²·K/W на милиметър дебелина. При 15 m/s въздух с конвективен коефициент от 120 W/m²·K, съпротивлението от страна на въздух-е 0,0083 m²·K/W. Добавянето на 1,2 mm дебелина на стената увеличава общото съпротивление с близо 45%, намалявайки топлинната мощност с приблизително 30% за същата температура на обвивката. По-критично е, че за фиксиран вход на електрическа мощност по-дебелата стена принуждава температурата на съпротивителния проводник да се повиши. Максималната допустима температура на проводника за изолация от магнезиев оксид (вътрешния диелектрик) обикновено е 800-850 градуса. След като проводникът надхвърли тази граница, следва влошаване на изолацията и преждевременна повреда на нагревателя. Следователно има максимална дебелина на обвивката, над която вътрешната температура на проводника става неустойчива при необходимата плътност на мощността. За типичен оребрен нагревател от неръждаема стомана 316 с плътност на вата (на базата на оребрената площ) от 3-5 W/cm² при 20 m/s въздух при вход от 50 градуса, максималната допустима дебелина на обвивката, за да поддържа проводника под 800 градуса, е приблизително 2,0-2,2 mm. Над тази стойност, нагревателят трябва да бъде намален, което изисква по-дълъг или по-голям нагревател, за да се постигне същото повишаване на температурата на въздуха.
Ръководство за-въз основа на сценарий за избор за високо{1}}скоростен въздушен поток
Следващата таблица предоставя максимално допустими препоръки за дебелина на обвивката за оребрени тръбни нагреватели от неръждаема стомана 316 при работа с принудителен въздух въз основа на скоростта на въздуха, натоварването на частиците и необходимата плътност на мощността.
| Работно състояние и плътност на мощността | Максимално допустима дебелина на стената | Механични и термични компромиси- |
|---|---|---|
| Чист въздух (без частици), 10-15 m/s, 4 W/cm², периодичен режим | 1,5 мм | Ерозията е незначителна. Нисък стрес от умора. Тънката стена увеличава максимално преноса на топлина и поддържа температурата на проводника доста под 800 градуса. Стандартна дебелина на оребрената тръба. |
| Солен спрей или влажен кисел въздух, 15-20 m/s, 3,5 W/cm², непрекъсната работа | 1,8-2,0 мм | Скорост на-ерозия на корозия 0,03-0,05 mm/година. 2.0 mm осигурява 40 000 часа ерозия с оставащи 1,2-2,0 mm. Температурата на проводника се доближава до 750-780 градуса; проверете с термична симулация. |
| Въздух, наситен с-частици (прах, влакна), 20–25 m/s, 3 W/cm², висок риск от вибрации | 2,2 мм | Скорост на ерозия до 0,10 mm/година. Дебелата стена намалява променливото напрежение на умора с 50 % спрямо . 1.2 mm. Трябва да се намали плътността на вата, за да се поддържа температурата на проводника под 800 градуса. Очаквайте 25-35 % по-ниска топлинна мощност на тръба. |
| Very high velocity (>25 m/s) или непрекъснат удар на частици | Не се препоръчва за дизайн с перки | Перките действат като колектори на частици и ерозират бързо. Преминете към чист тръбен нагревател с по-дебела стена (2,5-3,0 mm) или керамична защита. Оребрената геометрия е неподходяща. |
| Чист въздух, ниска скорост (5-10 m/s), всякаква плътност на мощността | 1,2-1,5 мм | Няма опасения за ерозия или умора. По-тънката стена подобрява времето за реакция. Дебелина над 1,5 мм губи материал и намалява ефективността без полза. |
Допълнителни дизайнерски фактори извън дебелината на стената
При високо{0}}скоростно въздушно нагряване дебелината на стената взаимодейства силно с дизайна на перките, метода на закрепване и оформлението на системата. Първо,приставка за перка– споените или високо{0}}честотно заварените ребра осигуряват по-добър топлопренос от механично разширените ребра, което позволява малко по-дебела обвивка, без да се превишават температурните граници на проводника. Второ,плътност на перките– намаляването на стъпката на перките (по-малко перки на метър) намалява площта на топлообмен, но също така намалява спада на налягането и възбуждането на вибрации. По-ниската плътност на перките позволява по-дебела обвивка за същата температура на проводника. трето,филтриране на входящия въздух– премахването на частици над 10 µm намалява степента на ерозия със 70-90%, което позволява използването на по-тънки, по-термично ефективни стени. четвърто,разстояние между опорите на тръбите– намаляването на неподдържания обхват от 600 mm на 300 mm намалява амплитудите на-предизвиканите от потока вибрации с фактор осем, елиминирайки предимството на умората на дебелите стени. накраятвърдост на материала– определянето на студено изтеглена неръждаема стомана 316 (която има по-висока граница на провлачване от отгрята) подобрява устойчивостта на ерозия без увеличаване на дебелината.
Заключение: Определяне на максимално допустимата дебелина за въздушна услуга
Изборът на дебелината на обвивката за оребрени тръбни нагреватели от неръждаема стомана 316 при високо{1}}скоростен въздушен поток изисква удовлетворяване на две противоположни ограничения: механичната издръжливост изисква по-дебела стена, за да устои на ерозия и умора, докато термичните ограничения налагат максимална дебелина, отвъд която вътрешните температури на проводника надвишават безопасните стойности. За повечето промишлени приложения с принудителен въздух при 15–20 m/s с леко натоварване от частици, дебелина от 1,8–2,0 mm представлява практическия максимум-осигуряващ адекватна допустима ерозия и граница на умора, като същевременно се поддържат температурите на проводника в границите от 800 градуса за изолация от магнезиев оксид. Когато скоростите на въздуха надвишават 25 m/s или натоварването от частици е сериозно, нагревателите с ребра обикновено са неподходящи, независимо от дебелината на стената, и дизайнерите трябва да обмислят голи тръбни нагреватели със защитни покрития или алтернативни материали. Когато посочвате, винаги посочвайте скоростта на въздуха, очакваната концентрация на частици, плътността на перките и максимално допустимата температура на проводника. Това трансформира проста спецификация на дебелината на стената в цялостна висока{13}}оценка на съвместимост с въздуха, която директно свързва избора на размери както с механичната надеждност, така и с термичната безопасност.
