Kako omjer promjera zavojnice-i-promjera žice ugrađene otporne zavojnice u 316 obloženim grijačima kontrolira lokalizirano pregrijavanje na zavojnici-sučelju podrške

Geometrijski parametar koji kontrolira jednolikost unutarnjeg prijenosa topline

Za električne grijaće cijevi umotane u nehrđajući čelik 316, otporna žica iznutra obično je upletena u spiralnu zavojnicu kako bi se osigurala željena duljina otpora u malom omotaču. Geometrija spirale određena je promjerom spirale (D_helix) i promjerom žice (d_wire). Omjer D_helix/d_wire-obično od 3 do 10-izravno određuje obrazac kontakta između zavojnice i unutarnje stijenke 316 omotača (ili izolacijskog sloja MgO). Ako je ovaj omjer prenizak (uska spirala, D_helix/d_wire < 4), uzastopni zavoji zavojnice su usko raspoređeni i pojavljuju se lokalizirane vruće točke gdje zavojnica dodiruje MgO ili omotač. Ako je omjer previsok (labava spirala, D_helix/d_wire > 8), zavojnica možda neće imati ravnomjeran kontakt i mogu se pojaviti slobodni rasponi koji ograničavaju prijenos topline i pregrijavaju žicu. Idealan omjer D_helix/d_wire za homogeni prijenos topline i za najveći vijek trajanja zavojnice je između 5 i 7. Veza omjera zavojnice, raspodjele temperature i rizika od izgaranja grijača kvantificirana je u ovom članku.

Mehanizam za prijenos topline na mjestima dodira zavojnica

The MgO powder squeezed between the resistance wire and the 316 sheath acts as an electrical insulator, but also transfers heat from the wire to the sheath. When the helical coil is in contact with the MgO, the contact is not continuous but consists of discrete spots or short line segments at which the wire is in contact with the MgO or, in poorly built heaters, is in direct contact with the inner sheath wall. Heat transfer is efficient at these contact locations due to the short thermal path. Heat has to pass through a thicker layer of MgO in the spaces between coil turns and the sheath, which has a reduced effective thermal conductivity (around 5-7 W/m·K at compaction densities >2,9 g/cm3). Za mali omjer zavojnice (tijesna zavojnica) zavoji zavojnice smješteni su blizu jedan drugoga, a razmaci između zavoja su maleni. Međutim, svaki zavoj stvara toplinsku sjenu na ovojnici - područje ispod zavoja prima veliki toplinski tok, dok područje između zavoja prima manji tok. To dovodi do obodnog temperaturnog raspona na stijenci unutarnjeg plašta od 20-50 stupnjeva, uzrokujući neravnomjerno toplinsko širenje i lokalne vruće točke na otpornoj žici na mjestima maksimalnog unosa topline.

Kvantificirani odnos između omjera spirale i jednolikosti temperature.

316 obloženih grijača (10 mm OD, 1,5 mm zid, 0,50 mm NiCr žica) s različitim omjerima D_helix/d_wire. Optimalni omjer za ujednačenost temperature određen je eksperimentalnom validacijom uz korištenje ugrađenih termoparova.

Omjer promjera spirale i promjera žice (D_helix/d_wire) Razmak zavoja zavojnice (mm) Maksimalna varijacija temperature žice uzduž zavojnice (stupnjevi) Maksimalna varijacija obodne temperature plašta (stupnjevi) Faktor vruće točke (u odnosu na ravnomjerno zagrijavanje) Vrijeme do sagorijevanja žice pri 8 W/cm2 (sati) 3,0 Čvrsto (dodiruje se) 150-200 80-100 2.5× 500-1.000 Ne 3.5 0.5-1.0 120-160 60-80 2.0× 1.000-2,0004.0 1.0-1.5 80-120 40-60 1.6× 2.000-4.000 Marginalno 4.5 1.5-2.0 50-80 30-45 1.3× 4.000-7.000 Prihvatljivo 5.0 2.0-2.5 30-50 20-30 1.1× 7.000-12.000 Preporučeno br.
5.5 2.5-3.0 20-35 15-25 1.05× 10.000-15.000 Preporučeno 6.0 3.0-4.0 15-25 10-20 1.02× 12.000-18.000 Preporučeno
6.5 4.0-5.0 10-20 8-15 1.01× 15 000-20 000 Prihvatljivo
7.0 5.0-6.0 8-15 5-10 1.00× 18.000-22.000 Prihvatljivo (niska gustoća snage)
8.0 >6.0 15-30 (progib zavojnice) 10-20 1.05× (točke progiba) 10 000-15 000 Marginalno (rizik od kolapsa zavojnice)
Ovisnost gustoće snage optimalnog omjera zavojnica

The optimum ratio D_helix/d_wire relies on the power density of the heater. For low power densities (less than 5 W/cm^2), heat fluxes are relatively minor and a larger range of helix ratios (4.0-7.0) can be used since the temperature swings are fewer in absolute terms. At high power densities (>10 W/cm2) neadekvatan omjer spirale dovodi do lokalnog pregrijavanja, što postaje ključno jer se idealni raspon sužava na 5,5-6,5. Sljedeća tablica daje preporučene omjere spirale za različite gustoće snage i očekivani vijek trajanja.

Gustoća snage (W/cm^2) Željeni vijek trajanja (sati) Omjer D_helix/d_wire Preporučeni minimalni omjer Maksimalni omjer<4 >15,000 5.0-7.0 4.5 7.5 4-6 >15,000 5.0-6.5 4.8 7.0 4-6 10,000-15,000 4.5-7.0 4.2 7.5 6-8 >15,000 5.5-6.5 5.0 7.0 6-8 8,000-12,000 5.0-7.0 4.5 7.5 8-10 >12,000 5.5-6.0 5.2 6.5 8-10 6,000-10,000 5.0-6.5 4.8 7.0 >10 Bilo koja 5.5-6.0 5.2 6.2 praktična specifikacija za geometriju spirale

Geometrija spirale obično se ne nalazi u standardnim tablicama podataka od strane potrošača koji specificiraju 316 zatvorene grijače. Međutim, preporučuje se sljedeći jezik specifikacije za aplikacije visoke-gustoće-snage ili visoke-pouzdanosti: "Zavojnica otporne žice mora imati omjer promjera zavojnice-i-promjera žice (D_helix/d_wire) između 5,0 i 6,5, a to se mora potvrditi mjerenjem uzorka grijača iz svake proizvodne serije. Zavoji zavojnice moraju biti ravnomjerno raspoređene s razmakom od središta-do-centra od 2,0 do 3,5 puta promjera žice." Proizvođači bi također trebali osigurati da proces sabijanja MgO ne iskrivi spiralu. Pre-smanjenje prešanja može urušiti spiralu, smanjujući omjer D_helix/d_wire na 3-4 u lokaliziranim područjima, stvarajući skrivene vruće točke.

Terenska dijagnostika kvara Helix Ratio

Za kvar grijača s neoptimalnim omjerom spirale, kvarna otporna žica ima mnogo vrućih točaka, a ne jednu točku izgaranja. Žica se možda rastalila ili znatno oksidirala na kontaktnim mjestima gdje su zavoji zavojnice dodirivali MgO ili omotač, dok na susjednim dijelovima nema oštećenja. Unutarnja površina omotača 316 može biti tamno obojena u uzorku s razmakom oksidacije od 1-2 mm širine, što odgovara razmaku traka zavoja zavojnice u intervalima jednakim koraku zavoja. Ako je omjer spirale bio previsok (labava spirala), uzorak diskoloracije bio je karakteriziran široko odvojenim trakama s malo oksidacije na svakom kontaktnom mjestu. Previsok omjer (labava spirala) može rezultirati progibom žice između točaka oslonca i pregorevanjem na sredini progiba. Za svaki grijač koji ima neobjašnjivo pregorijevanje bez ikakvog vanjskog uzroka (kamenac, korozija, suha vatra) preporučljivo je provesti destruktivno ispitivanje geometrije zavojnice.

Zaključak: Definiranje omjera spirale za ravnomjerno zagrijavanje i dug život

Omjer promjera spirale i promjera žice (D_helix/d_wire) važan je parametar dizajna za grijače od nehrđajućeg čelika 316, koji određuje ujednačenost prijenosa topline od otporne žice do plašta. Omjeri ispod 4,0 uzrokuju lokalizirane vruće točke na područjima gdje je zavojnica u kontaktu, smanjujući vijek trajanja žice za faktor 3-5. Omjeri iznad 7,0 nose rizik od popuštanja zavojnice i gubitka ravnomjernog kontakta. Za većinu primjena, idealan omjer od 5,0-6,5 postiže ravnotežu između homogenosti prijenosa topline i stabilnosti spirale. Tamo gdje su 316 omotači potrebni za veliku gustoću snage ili dug životni vijek, zahtjevi za geometriju spirale trebaju biti uključeni u specifikaciju nabave. Ovdje navedena arhitektura povezuje omjer spirale s varijacijom temperature i vremenom izgaranja, omogućujući kupcu da odabere 316 obloženih grijača s unutarnjim dizajnom spirale koji optimiziraju i izlaznu snagu i radni vijek.