Toplinska ekspanzija – inženjerski izazov dugih grijača

Svaki inženjer održavanja na kraju nauči na teži način da se metal pomiče kada se zagrije. Ovo je osnovna činjenica mehanike. Kako ultra-duga jedno-električna grijaća cijev duljine 1200 mm postiže svoju radnu temperaturu, može se znatno proširiti. Ako se ovo širenje ne uzme u obzir tijekom projektiranja i instalacije, rezultati bi mogli biti loši: grijači koji su zapeli i gotovo ih je nemoguće ukloniti, slomljeni dijelovi kalupa, savijeni omotači grijača ili prekinuti unutarnji spojevi. Dakle, svatko tko je zadužen za specificiranje, instaliranje ili održavanje dugih grijača s patronama mora znati razumjeti i nositi se s toplinskim širenjem.

Aritmetika koja stoji iza toplinskog širenja je jednostavna, ali ljudi o njoj često ne razmišljaju dovoljno. Koeficijent rastezanja za plašteve od nehrđajućeg čelika i Incoloy obično je oko 0,000017 m/m/ stupanj (17 µm/m/ stupanj). Cjelokupno uzdužno širenje 1200 mm (1,2 m) ultra-dugog jedno-patronskog grijača koji radi na procesnoj temperaturi od 400 stupnjeva (s porastom temperature od oko 380 stupnjeva od okoline) može biti preko 8 mm. Taj rast može biti veći od 10 mm na višim radnim temperaturama od 500–600 stupnjeva. Kada je hladno, grijač koji savršeno pristaje može jako stršati kada je vruće. Ili, još gore, ako je pretijesno postavljen uz dno slijepe rupe, neće se imati kamo razviti i umjesto toga može se saviti, izbočiti ili izazvati razorni aksijalni stres na metal oko sebe.

Zbog toga vješti projektanti i tehničari uvijek ostavljaju prostor za toplinsko širenje na kraju slijepih rupa. Sićušni razmak od 2–3 mm može biti dovoljan za kraće grijače uložaka, ali za ultra-dugu jedinicu od 1200 mm, preporučeni razmak je mnogo veći-obično **5 mm do 10 mm** na zatvorenom kraju šupljine. Ako nema dovoljno prostora, grijač će gurnuti dno rupe dok se širi. To stvara tlačne pritiske koji mogu slomiti slabe stijenke kalupa, promijeniti oblik plašta grijača ili neravnomjerno zbiti unutarnju izolaciju od magnezijevog oksida (MgO). U vrlo lošim okolnostima, plašt se može srušiti ili se grijač može zaglaviti zauvijek, što znači korištenje skupih metoda poput bušenja ili elektroerozije da se izvuče.

Kraj izvoda (završetak) ima svoje probleme s ekspanzijom. Hladni segment se pomiče u odnosu na odjeljak za ožičenje ili montažnu ploču kako grijač od 1200 mm postaje topliji. Ako su provodne žice dobro pričvršćene tako da se ne mogu pomicati, ovaj aksijalni rast može izravno povući unutarnje priključne točke, što može polagano olabaviti veze, opteretiti spoj otporne žice ili čak slomiti unutarnje provodnike tijekom mnogih toplinskih ciklusa. Da bi se to popravilo, mnogi visoko-kvalitetni dugi grijači dolaze s fleksibilnim konfiguracijama izvoda, završecima-opterećenim oprugom ili dodatnom labavošću vodiča integriranom u sklop. Neki dizajni imaju plutajući hladni dio ili značajke-rasterećenja naprezanja koje preuzimaju kretanje bez opterećivanja električnih priključaka.

Dodavanje radijalne ekspanzije (promjera) čini stvari još kompliciranijima. Ovojnica se širi prema van kako postaje toplija, obično za 0,05 do 0,15 mm u promjeru, ovisno o tvari i temperaturi. Ako je otvor preuzak, ovo radijalno širenje čini da se grijač veže cijelom svojom dužinom. Problem je još gori s ultra-dugim grijačem od 1200 mm budući da veća površina znači više kontaktnih točaka koje stvaraju trenje. Vezanje dodatno opterećuje mehaniku, zaustavlja slobodno širenje i može uzrokovati lokalizirane žarišne točke ili deformaciju omotača. Odgovor je postaviti instalacijski razmak koji funkcionira i za hladno umetanje i za vrući rad. Za većinu promjera do 20 mm, dijametralni razmak od **0,05 mm do 0,10 mm** (malo veći nego za kratke grijače) daje vam prostor koji vam je potreban dok još uvijek održavate dobar toplinski kontakt. Preporučuje se da koristite precizno razvrtanje ili brušenje kako biste dobili ovu toleranciju.

Evo još nekoliko predloženih praksi za rješavanje toplinskog širenja u grijačima od 1200 mm:
- Stavljanje grijača u rupu tako da nježno dodiruje dno, a zatim ga malo povlačenje unazad (kako bi se uskladio s izračunatim razmakom širenja) prije nego što se postavi na njegovo konačno mjesto. - Stavljanje visoko{2}}ne-vodljive smjese protiv-zapinjanja na omotač za smanjenje trenja i zaustavljanje trzanja tijekom ciklusa širenja i skupljanja. - Odabir materijala omotača kao što je Incoloy koji ostaju jači i imaju manje kamenca na visokim temperaturama, što smanjuje mogućnost začepljenja. - Praćenje ranih signala problema povezanih sa širenjem, uključujući grijače koji se teže uklanjaju ili promjene u struji koje nisu bile predviđene.

Toplinsko širenje nije problem u dizajnu ili procesu proizvodnje. To je samo prirodno svojstvo metala. Visoko{2}}kvalitetni ultra-dugi jedno-glavni patronski grijač od 1200 mm može raditi godinama bez kvara ili ranog kvara ako je pravilno instaliran s pravim dilatacijskim razmacima, dijametralnim razmacima, upravljanjem vodovima i postupcima ugradnje. Čak i najbolje{7}}dizajniran grijač će se na kraju pokvariti ako se ne brinete o njemu. To će vas koštati puno novca u zastojima i zamjenama.

Slijedeći pravila toplinskog širenja od početka procesa projektiranja i ugradnje, inženjeri i timovi za održavanje osiguravaju da njihovi dugi grijači ostanu pouzdani dijelovi toplinskog sustava umjesto da cijelo vrijeme uzrokuju poteškoće s mehanikom.