Koliki je najveći dopušteni toplinski gradijent duž 1,2 m dugog PFA grijača kako bi se izbjeglo savijanje plašta?

Vertikalni PFA grijač može imati temperaturni gradijent od vrha prema dolje zbog prirodne konvekcije (gornji dio topliji) ili ne-jednolikog namotaja. Kada je gornje područje mnogo toplije od donjeg dijela, neusklađenost toplinskog širenja uzrokuje tlačno naprezanje u toplijem području. Kada je tlačno naprezanje veće od kritičnog opterećenja izvijanja PFA cijevi, plašt će se saviti i proizvesti val ili savijati da dodirne stijenku spremnika ili obližnje grijače. Za samostojeći vertikalni grijač dužine 1,2 m PFA 25 mm OD, 2 mm stijenke, najveći dopušteni aksijalni temperaturni gradijent (ΔT odozgo prema dolje) je 25-35 stupnjeva. Izvijanje se opaža nakon 100-500 toplinskih ciklusa za gradijent iznad 40 stupnjeva C. Za grijače ograničene nosačima dopušteni je gradijent manji (15 do 25 stupnjeva). Gradijent u kritičnom stanju ovisi o omjeru vitkosti cijevi (duljina/promjer) i debljini stijenke.

Mehanika izvijanja i kritičnog naprezanja
Ako cijev zagrijavate neravnomjerno, vruća strana se više širi od hladne strane. Ako su krajevi ograničeni ( montažnom prirubnicom na vrhu i slobodnim vrhom na dnu ) topliji dio postaje pod pritiskom . Kritično naprezanje na izvijanje za cijev s tankim -zidovima dano je kao σ_crit=(π^2 * E * I) / (L^2 * A) gdje je E modul elastičnosti PFA (500-700 MPa na 100 stupnjeva), I je moment tromosti, L je duljina zagrijane sekcije, a A je površina poprečnog presjeka. I=π/64 x (OD4- ID4)=0.049 x (25 4-21 4)=0.049 x (390 625-194 481)=0.049 x 196 144=9 611 mm4 za 25 mm OD, 2 mm stijenku cijevi. A=144.5 mm2. S dužinom toplijeg dijela od 0,6 m (polovica grijača), σ_crit=(π² × 600 × 9611) / (600² × 144,5)=(9870 × 9611) / (360 000 × 144,5)=94.8e6 / 52.0e6=1.82 MPa. Tlačno naprezanje uslijed toplinskog širenja je σ_termalno=E* *ΔT gdje je=110 ppm/ stupanj Za σ_termalno=σ_crit, ΔT_crit=σ_crit/(E )=1.82/(600×110e-6)=1.82/0.066=27.6 stupanj. To se slaže s promatranim rasponom od 25-35 stupnjeva C.

Ako je cijela duljina grijača (1,2 m) vrući dio, L raste, σ_crit se spušta na 0,45 MPa, a ΔT_crit iznosi 6,8 stupnjeva – nepraktična vrijednost. izvijanje je najprikladnije ako se vruća zona nalazi na jednom kraju (bilo na vrhu ili na dnu), a ne ravnomjerno raspoređena. Za tipičan profil prirodne konvekcije s toplijim vrhom (grijačem), duljina vruće zone često iznosi 30-50% ukupne duljine dajući ΔT_crit u rasponu od 25-35 stupnjeva.

Geometrija grijača Dopušten toplinski gradijent
Duljina grijača (m) OD (mm) Zid (mm) Duljina vruće zone (m) σ krit (MPa) ΔT krit ( stupanj ) Preporučeni maksimalni ΔT za siguran rad 0.8 25 2.0 0.4 (gornjih 50%) 4.2 64 40 stupanj 1.0 25 2.0 0.5 2.7 41 30 stupanj 1.2 25 2.0 0.6 1.8 27 20 stupanj 1.5 25 2.0 0.75 1.2 18 15 stupanj 1.2 25 1.5 0.6 1.2 18 15 stupanj (slabiji zid)
1.2 32 2.5 0.6 2.5 38 25 stupanj (tvrđa cijev)
1.2 25 2.5 0.6 2.2 33 25 stupanj (deblji zid)
1,2 s osloncem srednjeg-raspona 25 2.0 0.6 (dva dijela od 0,3 m) 7,3 svaki 110 60 stupanj (oslonci sprječavaju izvijanje)
Sprječavanje izvijanja u praksi
Maksimalna okomita temperaturna razlika od 20 stupnjeva dopuštena je za siguran dugoročni rad 1,2 m PFA grijača. Ako profil prirodne konvekcije daje gradijent od 15 stupnjeva C (dolje 80, gore 95 stupnjeva C), tada je grijač siguran. Ako se gradijent približi 25 stupnjeva, može se savijati nakon brojnih ciklusa. Ako nagib dosegne 35 stupnjeva, izvijanje je vjerojatno za nekoliko tjedana.

Za smanjenje toplinskog gradijenta:

Koristite grijač s promjenjivim korakom za prilagodbu proizvodnje topline lokalnim gubicima topline (više snage na dnu manje snage na vrhu).

Ugradite recirkulacijsku pumpu za uklanjanje raslojavanja prirodnom konvekcijom.

Stavite metalnu čahuru ili prsten za vođenje oko grijača na sredini-visine (500-600 mm od prirubnice). Vodeći prsten zaustavlja bočno pomicanje i povećava kritično naprezanje izvijanja za 4× (efektivna duljina prepolovljena, sigma_crit povećan 4×). Prsten za navođenje ne smije biti čvrsto stegnut. Ostavite 2-3 mm prostora za toplinsko širenje.

Smanjite gustoću vata u gornjoj zoni ili smanjenjem ukupne snage ili povećanjem površine grijača.

Detekcija izvijanja
Izvijanje se vidi kao postojano savijanje ili val u PFA ovojnici. Prvi znakovi: grijač više ne visi okomito, dodiruje stijenku spremnika ili drugi grijač(e). Mjehurići nastaju zbog lokalnog pregrijavanja na mjestima gdje je stijenka spremnika u kontaktu (PFA protiv metala). Ako vidite izvijanje, odmah isključite grijač. Neće se ispraviti kada se ohladi, PFA je trajno popustio. Promijenite grijač. Smanjite temperaturni gradijent prije zamjene (promijenite raspodjelu snage ili dodajte protok).

Terenski-test
PFA grijač od 1,2 m u kupki za nanošenje od 90 stupnjeva s ograničenom cirkulacijom dao je temperaturni gradijent od vrha do dna od 28 stupnjeva (dolje 76 stupnjeva, gore 104 stupnja). Nakon 3 mjeseca radnici su pronašli grijač u dodiru sa stijenkom spremnika. Pregled je pokazao 15 mm luka na sredini-visine. Promijenjen je grijač. Gradijent je smanjen na 8 stupnjeva nakon ugradnje recirkulacijske pumpe. Zamjenski grijač bio je ispravan 3+ godina. Trošak pumpe (500) bio je manji od troška zamjenskog grijača (500) bio je manji od troška zamjenskog grijača (800) sa zastojem.

ZAKLJUČAK MAKSIMALNI GRADIJENT 20 stupnjeva ZA 1,2m GRIJANJE
Za PFA grijač duljine 1,2 m s vanjskim promjerom od 25 mm, stijenkom od 2 mm, najveći dopušteni temperaturni gradijent između vrha i dna kako bi se izbjeglo izvijanje je 20–25 stupnjeva za siguran kontinuirani rad. Ako temperatura prijeđe 35 stupnjeva, zakopčajte se u roku od nekoliko tjedana. Kritični gradijent je niži za duže grijače (1,5 m: 15 stupnjeva) i tanje zidove (1,5 mm: 15 stupnjeva). Kako biste izbjegli izvijanje, pratite vertikalni temperaturni profil, smanjite gradijent recirkulacijom ili grijačima s promjenjivim korakom i osigurajte srednje{13}}prstenove za vođenje ako su gradijenti neizbježni. To nije progresivni slom. Riječ je o iznenadnoj geometrijskoj nestabilnosti koja trajno deformira grijač . Poštujte gradijent, podržite grijač ili oboje. Sretan grijač je pravi grijač. Drži ga ravno. Držite ga na sigurnom.