Koja je najveća dopuštena debljina plašta za rebraste cjevaste grijače od nehrđajućeg čelika 316 u strujanju zraka velike -brzine (10-25 m/s)?

Osnovni kompromis-u grijačima zraka s prisilnom konvekcijom

Rebrasti cjevasti grijači od nehrđajućeg čelika 316 često se koriste u grijačima kanala, jedinicama za rukovanje zrakom i pećima za sušenje, gdje korozivne kemikalije koje se prenose zrakom, kao što su slani sprej, razrijeđene kiseline ili vlažni industrijski ispušni plinovi, zahtijevaju otpornost na koroziju austenitnog čelika koji-sadrži molibden. Upotreba peraja značajno povećava površinu za prijenos topline; bez obzira na to, debljina plašta ispod peraja važan je parametar dizajna. Veće stijenke pružaju bolju otpornost na eroziju-koroziju i mehanička naprezanja koja proizlaze iz vibracija koje stvara strujanje pri velikoj brzini strujanja zraka (10-25 m/s). Ali svaki dodatni milimetar debljine povećava toplinski otpor od otporne žice do korijena peraje, čime se smanjuje ukupna izlazna toplina i povećava temperatura plašta. Ova studija izračunava graničnu debljinu stijenke rebrastih grijača od nehrđajućeg čelika 316 za opskrbu s prisilnim zrakom gdje su prekoračena toplinska ograničenja što rezultira pregrijavanjem, povećanom korozijom i ranim kvarom priključaka za peraje.

Mehanički integritet i erozija-korozija u zraku velike brzine

316 stainless steel will erode-corrode measurably at air velocities >10 m/s noseći suspendirane čestice (prašinu, kristale soli ili procesne krutine). Pasivni film se kontinuirano troši, a metal ispod se uklanja brzinom od 0,02 do 0,10 mm godišnje, ovisno o opterećenju česticama i kutu udara. Za grijač koji treba raditi 40 000 sati (oko 5 godina neprekidnog rada), stijenka od 1,2 mm izgubila bi 0,1-0,5 mm, možda manje od 1,0 mm. To je obično u redu za zračne sustave niskog tlaka. Međutim, veći mehanički problem su vibracije-prouzročene protokom. Rebraste cijevi imaju široko projicirano područje u odnosu na strujanje zraka i pri 15-25m/s rasipanje vrtloga može uzrokovati izmjenična naprezanja koja dovode do pucanja uslijed zamora na spoju rebra na plašt ili na fiksnim krajevima cijevi. Vijek trajanja tankostijenih cijevi znatno je kraći od zamora debljih cijevi budući da je izmjenična amplituda naprezanja za dati otklon obrnuto proporcionalna debljini stijenke. Za cijev vanjskog promjera 12 mm i neoslonjenog raspona od 500 mm u protoku zraka od 20 m/s, izračunato izmjenično naprezanje na savijanje je reda veličine 35 MPa za stijenku od 1,2 mm i samo 18 MPa za stijenku od 2,4 mm - smanjenje za faktor dva. Granica izdržljivosti za žareni nehrđajući čelik 316 je oko 240 MPa, stoga su obje vrijednosti sigurne. Međutim, koncentracije naprezanja na rebrastim zavarima ili valjanim spojevima mogu povećati lokalna naprezanja za faktore 3-5. U takvim slučajevima deblja stijenka je važna sigurnosna granica protiv pojave pukotina uslijed zamora. Mehanički integritet ima minimalnu debljinu, a ne maksimalnu. Što je deblji, to je bolji za otpornost na zamor i eroziju.

Toplinski otpor i ograničenje pregrijavanja

Toplinska šteta zbog debelih stijenki u rebrastim grijačima zraka lošija je nego kod grijača s uranjanjem u tekućinu zbog znatno nižeg koeficijenta konvektivnog prijenosa topline (obično 50-200 W/m2K naspram 500-5000 W/m2K za tekućine). Ukupnim toplinskim otporom dominira granični sloj sa-strane zraka, iako je otpor plašta još uvijek važan. U rebrastoj cijevi toplina se mora provoditi kroz plašt radijalno do baze rebra. Debljina plašta povećana je s 1,2 mm na 2,4 mm, čime se udvostručuje duljina vodljivog kanala. Toplinska vodljivost nehrđajućeg čelika 316 na 100 stupnjeva je 16,3 W/m·K. Dodatni toplinski otpor po mm debljine je oko 0,0037 m 2 K/W. Konvektivni koeficijent za zrak pri 15 m/s je 120 W/m 2 K, a otpor na strani zraka je 0,0083 m 2 K/W. Povećanje debljine stijenke za 1,2 mm povećava ukupni otpor za gotovo 45 %, dok smanjuje proizvodnju topline za oko 30 % pri istoj temperaturi plašta. Ali što je još važnije, za dani ulaz električne energije, deblja stijenka zahtijeva povećanje temperature otporne žice. Maksimalna temperatura žice za izolaciju od magnezijevog oksida (unutarnji dielektrik) općenito je 800-850 stupnjeva. Rad žice iznad ove granice uzrokovat će degradaciju izolacije i prijevremeni kvar grijača. Dakle, postoji maksimalna debljina plašta iznad koje unutarnja temperatura žice nije održiva pri potrebnoj gustoći snage. Za tipični rebrasti grijač od nehrđajućeg čelika 316 s gustoćom u vatima (na temelju rebraste površine) od 3-5 W/cm2 u zraku od 20 m/s pri ulazu od 50 stupnjeva, najveća dopuštena debljina plašta je oko 2,0-2,2 mm tako da se žica može održavati ispod 800 stupnjeva. Iznad tog iznosa grijač mora biti smanjen, što znači dužu ili veću skupinu grijača kako bi se postigao isti porast temperature zraka.

Visok-brzinski protok zraka - Scenarij-Vodič za odabir

Donja tablica daje preporuke za maksimalnu debljinu plašta za rebraste cjevaste grijače od nehrđajućeg čelika 316 u pogonu s prisilnim zrakom, na temelju brzine zraka, opterećenja česticama i potrebne gustoće snage.

Radni uvjeti i gustoća snage Mehanički i toplinski kompromisi Maksimalna dopuštena debljina stijenke
Čisti zrak (bez čestica) 10-15 m/s 4 W/cm2 Povremeni rad 1,5 mm Erozija beznačajna. Stres od umora je nizak. Tanka stijenka omogućuje maksimalni prijenos topline i održava temperaturu žice znatno ispod 800 o C. Standardna debljina cijevi s lamelama.
Slani sprej ili vlažan kiseli zrak, 15-20 m/s, 3,5 W/cm², kontinuirani rad 1,8-2,0 mm Stopa korozije-erozije 0,03-0,05 mm/godina. 2.0 mm 40 000 sati dopuštene erozije 1,2-2,0 mm preostalo Temperatura žice 750-780 stupnjeva. Provjerite toplinskom simulacijom.
Zrak opterećen česticama (prašina, vlakna), 20‑25 m/s, 3 W/cm2, velika opasnost od vibracija 2,2 mm Stopa erozije do 0,10 mm/godina. 50 % u odnosu na . 1.2 mm debljine stijenke smanjuje naizmjenično naprezanje od zamora. Mora se ograničiti gustoća vata kako bi se osigurala temperatura žice<800 C. Expect 25-35 % decreased heat output per tube.
Very high velocity (>25 m/s) ili kontinuirano sudaranje čestica Ne preporučuje se za dizajn s perajima Peraje su hvatači čestica, brzo se razgrađuju. Promijenite na goli cjevasti grijač s debljom stijenkom (2,5‑3,0 mm) ili keramičkom zaštitom. Neadekvatna rebrasta geometrija.
Čist zrak, mala brzina (5-10 m/s), bilo koja gustoća snage 1,2-1,5 mm Nema erozije, problema sa zamorom. Tanji zid daje brži odgovor. Debljine veće od 1,5 mm troše materijal i smanjuju učinkovitost bez ikakvog dobitka.
Dodatni čimbenici dizajna komplementarni debljini stijenke

Kod grijanja zraka velikom brzinom postoji vrlo jaka interakcija debljine stijenke s dizajnom rebara, načinom pričvršćivanja i rasporedom sustava. Prvo, pričvršćivanje peraja – lemljena ili visoko{1}}frekventno zavarena rebra pružaju veći prijenos topline od mehanički ekspandiranih rebara, a omotač se može učiniti nešto debljim bez prekoračenja ograničenja temperature žice. Drugo, gustoća peraja - smanjenjem koraka peraja (manji broj peraja po metru) smanjuje područje prijenosa topline, ali također smanjuje pad tlaka i pobudu vibracija. Niža gustoća rebara omogućuje deblji omotač za određenu temperaturu žice. Treće, filtriranje ulaznog zraka - uklanjanje čestica većih od 10 µm smanjuje stope erozije za 70-90%, što omogućuje upotrebu tanjih, toplinski učinkovitijih stijenki. Četvrto, razmak nosača cijevi - Smanjenje neoslonjenog raspona sa 600 mm na 300 mm smanjuje amplitude vibracija koje stvara protok za faktor osam, nadoknađujući prednosti zamora debelih stijenki. Konačno, tvrdoća materijala - specificira hladno vučeni nehrđajući čelik 316 (veća granica razvlačenja od žarenog) povećava otpornost na eroziju bez povećanja debljine.

Zaključak: Određivanje najveće dopuštene debljine za zračni promet

Odabir debljine plašta za rebraste cjevaste grijače od nehrđajućeg čelika 316 u strujanju zraka velike brzine kompromis je između dva suprotna ograničenja. Mehanička izdržljivost zahtijeva deblju stijenku kako bi izdržala eroziju i zamor, dok toplinska ograničenja nameću maksimalnu debljinu iznad koje unutarnje temperature žice neće biti sigurne. Izvedivi maksimum za većinu industrijskih primjena prisilnog zraka pri 15–20 m/s s blagim opterećenjem česticama je 1,8–2,0 mm. Ovo osigurava dovoljnu toleranciju na eroziju i tampon zamora dok održava temperaturu žice unutar granice od 800 stupnjeva za izolaciju od magnezijevog oksida. Općenito rebrasti grijači nisu prikladni za brzine zraka veće od 25 m/s ili teške uvjete opterećenja česticama bez obzira na debljinu stijenke i dizajner bi trebao koristiti gole cjevaste grijače sa zaštitnim premazima ili drugim materijalima. Prilikom specifikacije uvijek navedite brzinu zraka, predviđenu koncentraciju čestica, gustoću peraja i najveću dopuštenu temperaturu žice. Ovo mijenja osnovnu specifikaciju debljine stijenke u potpunu procjenu kompatibilnosti sa zrakom velike brzine koja izravno povezuje odabir dimenzija s mehaničkom pouzdanošću i toplinskom sigurnošću.