Koja je pouzdana debljina plašta za cirkulacijske grijače od nehrđajućeg čelika 316 u 40% otopini kalcijevog klorida na 90 stupnjeva s tlakom sustava od 5 bara

Ključni kompromis-u-usluzi slane vode visoke gustoće

Slana otopina kalcijevog klorida (koncentracija 40%) tipična je tekućina za prijenos topline koja se koristi u rashladnim sustavima, primjenama-odleđivanja i industrijskim rashladnim krugovima. Slana otopina kalcijevog klorida (gustoća oko 1,4 g/cm3, točka smrzavanja -45 stupnjeva pri optimalnoj koncentraciji) je gušća od slane vode natrijevog klorida i može se održavati tekućom na nižim temperaturama. Nehrđajući čelik 316 zadovoljava vrlo zahtjevno okruženje na 90 stupnjeva i tlaku sustava od 5 bara. 40% otopina kalcijevog klorida ima sadržaj klorida od oko 25% po težini i vrlo je agresivna. Međutim, korozivno ponašanje je umjereno u usporedbi s natrijevim kloridom zbog prisutnosti iona kalcija. Kalcijevi ioni inhibiraju aktivnost kloridnih iona sparivanjem iona. Za pouzdanu debljinu plašta za ovu funkciju, zadržavanje tlaka, otpornost na piting u slanoj vodi s visokim udjelom klorida, eroziju od bilo koje suspendirane čvrste tvari i toplinsku učinkovitost potrebnu za prijenos topline moraju se uzeti u obzir. Za razliku od željeznog klorida, gdje 316 nije baš prikladan, nehrđajući 316 može primiti otopinu kalcijevog klorida na umjerenim temperaturama s odgovarajućom debljinom i operativnom disciplinom.

Zadržavanje tlaka pri 5 bara i 90 C

Zahtjev za obručnim naprezanjem za plašt cirkulacijskog grijača pri tlaku sustava od 5 bara je mali, ali ne jednak nuli. Za cijev vanjskog promjera 12 mm, to ovisi o debljini stijenke. Formula obručnog naprezanja je σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t daje sljedeće vrijednosti: za zid od 1,2 mm (unutarnji polumjer 4,8 mm), naprezanje je 0,5 MPa puta 4,8 mm na 1,2 mm, što daje 2,0 MPa. Za zid od 2,0 mm (unutarnji radijus 4,0 mm), naprezanje je 0,5 MPa puta 4,0 mm podijeljeno s 2,0 mm, što je 1,0 MPa. Oba su rezultata znatno niža od granice razvlačenja od 170 MPa nehrđajućeg čelika 316 na 90 stupnjeva. Debljina se ne određuje samo zadržavanjem tlaka. Međutim, grijači za cirkulaciju slane vode često se postavljaju na navojne ili prirubničke priključke koji moraju izdržati instalacijski moment i tlakove toplinske ekspanzije. Minimalna debljina na mjestima spajanja trebala bi biti 1,2 mm za zahvat navoja i mehaničku otpornost. Stjenke tanje od 1,0 mm mogu biti u opasnosti od skidanja niti ili deformacije prilikom postavljanja.

Otpornost na lokaliziranu koroziju u koncentriranim otopinama kalcijevog klorida

Otpornost na piting nehrđajućeg čelika 316 u otopini kalcijevog klorida puno je bolja od one u otopini natrijevog klorida pri sličnim težinskim postocima klorida. To je zato što su kloridni ioni manje aktivni u otopinama kalcijevog klorida. Kritična temperatura pitinga nehrđajućeg čelika 316 u koncentraciji kloridnih iona od 25% (od 40% CaCl2) je oko 45-55 stupnjeva, ovisno o sadržaju kisika i uvjetima protoka. Otopina je mnogo iznad kritične temperature pitinga od 90°C pa će doći do pitinga. Pitanje je kojom brzinom se jame razmnožavaju. Stope rasta jama za nehrđajući čelik 316 u 40% CaCl₂ na 90 stupnjeva u uvjetima prozračivanja objavljene su kao 0,3-0,8 mm/godišnje, a niža vrijednost povezana je s turbulentnim uvjetima protoka koji sprječavaju koncentraciju klorida na ulazu u jamu. Za cirkulacijski grijač s brzinom protoka od 1,5-2,0 m / s, stopa rasta jame je oko 0,3-0,5 mm / godišnje. Najveća predviđena dubina jame je 1,5 do 2,5 mm tijekom petogodišnjeg projektiranog vijeka trajanja. Ovaj izračun je izravan pokretač izbora debljine. Stjenka od 1,5 mm imala bi veliku vjerojatnost probijanja nakon pet godina. Stjenka je 2,0 mm. Nakon 5 godina širenja jame, sigurnosna granica je 0,5-1,5 mm. Debljina stijenke od 2,5 mm daje veću marginu, ali uz velike kazne za grijanje i troškove. Pouzdan raspon debljine za projektirani životni vijek od 5 godina je 2,0-2,3 mm.

Razmatranja za ravnomjernu koroziju i napad pukotina

Glavni problem je rupičasta korozija, ali možete mjeriti ravnomjernu koroziju u 40% otopini kalcijevog klorida na 90 stupnjeva. Objavljene studije o gubitku težine pokazuju stope korozije od 0,05-0,12 mm/godišnje pod tekućim okolnostima i dosljedne su. Ujednačeno smanjenje od 0,25 do 0,60 mm zabilježeno je tijekom 5 godina. Ovo oštećenje smanjuje efektivnu debljinu stijenke koja je dostupna da se odupre prodiranju rupa. 5-godišnja ravnomjerna stopa korozije od 0,10 mm/godišnje na stijenci od 2,0 mm ostavlja debljinu od 1,5 mm prije nego što započne piting. Jama koja se širi brzinom od 0,4 mm godišnje tijekom pet godina dosegla bi dubinu od 2,0 mm, perforirajući stijenku. Kombinacija dosljednog gubitka i rupa znači da je stijenka od 2,0 mm blizu ruba pouzdanosti za cijeli petogodišnji radni vijek. Napad na pukotine na prirubničkim brtvama, navojnim spojevima i ispod naslaga kamenca daje dodatnu dimenziju. Lokalizirane stope korozije od 0,5-1,0 mm godišnje mogu se pojaviti u pukotinama u otopini kalcijevog klorida. Iz tog razloga, grijači za cirkulaciju slane vode trebaju biti zavarene konstrukcije, a ne navojne, a brtve treba izbjegavati gdje god je to moguće.

Toplinska izvedba debelih zidova Trošak debelih zidova

Toplinska vodljivost 40%-tne otopine kalcijevog klorida je oko 0,55 W/m·K na 90 stupnjeva, daleko manje od vode (0,68 W/m·K). Stoga je koeficijent konvektivnog prijenosa topline u turbulentnom strujanju manji, obično 600-1000 W/m²·K u usporedbi s 1500-2500 W/m²·K za vodu. Stoga toplinski otpor plašta ima veći doprinos ukupnom toplinskom krugu nego u opskrbi vodom. Za cijev vanjskog promjera 12 mm, električni otpor raste za oko 0,004 m²·K/W kako se debljina stijenke povećava s 1,5 mm na 2,5 mm. Ovaj povećani otpor povećava temperaturu plašta za 8-10 stupnjeva za tipičnu gustoću vata cirkulacijskog grijača od 7-8 W/cm2. Sa stijenkom od 2,5 mm, temperatura plašta može se povećati na 110-115 stupnjeva za temperaturu mase od 90 stupnjeva. Stopa stvaranja rupa na ovim temperaturama je povećana za otprilike 50-100% u usporedbi s onom na 100 stupnjeva. Povećana debljina stijenke za otpornost na koroziju mogla bi pospješiti pojavu rupa zbog toplinskog učinka. To rezultira prozorom optimalne debljine, dovoljno tankim da očuva temperaturu plašta<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Preporuke za debljinu za različite uvjete rada, pouzdano

Za cirkulacijski grijač u 40% otopini kalcijevog klorida na 90 stupnjeva i 5 bara s turbulentnim protokom (Re > 10 000) i projektiranim vijekom trajanja od pet godina, pouzdana debljina plašta je 2,0-2,2 mm. Ova debljina dopušta dopuštenje udubljenja od 1,0-1,5 mm nakon petogodišnje ravnomjerne korozije, uz pretpostavku stope rasta udubljenja od 0,4 mm godišnje. Dovoljno za projektirani životni vijek od 3 godine 1,6-1,8 mm Ovo je 2,5-2,8 mm za desetogodišnji projektirani životni vijek, ali gubitak topline postaje značajan. Nadogradnja na veću leguru kao što je 316Ti ili 317L može biti isplativija. Za sustave s laminarnim protokom ili mrtvim zonama s većim stopama pitinga, debljinu treba povećati za 0,3–0,5 mm. Za sustave koji koriste deaeriranu slanu otopinu (otopljeni kisik manji od 100 ppb), stopa pitinga se smanjuje na 0,1-0,2 mm godišnje i može se smanjiti na 1,5-1,8 mm tijekom petogodišnjeg vijeka trajanja.

Praktične projektne mjere koje smanjuju zahtjeve za debljinom

Dostupne su različite konstrukcijske mjere za smanjenje potrebne debljine plašta bez ugrožavanja pouzdanosti. Prvo, upravljanje protokom: Minimalna brzina protoka od 1,5 m/s nametnuta je kako bi se izbjegla stagnacija graničnog sloja i kako bi se smanjile stope pitinga za faktor dva. 2. Odzračivanje: Dušikov omotač preko ekspanzijskog spremnika smanjuje otopljeni kisik s 8 ppm na manje od 0,5 ppm uz značajno smanjenje pitinga i postojane stope korozije. Treće, dodavanje inhibitora. Natrijev kromat ili natrijev molibdat pri 200-500 ppm uvelike povećava otpornost na udubljenje i dopušta smanjenje debljine od 0,3-0,5 mm. Četvrto, završna obrada površine. Elektropolirane cijevi imaju manje mjesta inicijacije jamica i manje stope rasta jamica od mehanički poliranih cijevi. Elektropolirani zid debljine 1,8 mm može biti bolji od nacrtanog zida debljine 2,2 mm.

Zaključak: Pouzdana gustoća otopine kalcijevog klorida

Utvrđeno je da je debljina plašta od 2,0-2,2 mm pouzdana za petogodišnji projektirani životni vijek 316 SS cirkulacijskih grijača u turbulentnim, prozračnim okolnostima za 40% otopinu kalcijevog klorida na 90 stupnjeva C i tlaku od 5 bara. Ova debljina je kompromis između dopuštenog pitinga, ravnomjerne granice korozije i toplinske izvedbe. Stjenke tanje od 1,8 mm vjerojatno će se probušiti unutar 3 godine. Deblje stijenke iznad 2,5 mm podižu temperaturu omotača do područja gdje se piting ubrzava, a povrat smanjuje. Najpouzdanija specifikacija uključuje ne samo debljinu nego i specifikacije za minimalnu brzinu protoka (1,5 m/s), površinsku obradu (elektropolirana) i kontrolu otopljenog kisika gdje je to moguće. Inženjeri bi prilikom definiranja trebali navesti projektirani životni vijek u godinama i režim protoka. Time se odluka o debljini pretvara iz nagađanja u izračun korištenjem objavljenih podataka o koroziji i toplinskog modeliranja, čime se osigurava pouzdana dugoročna izvedba u jednom od problematičnijih slanih uvjeta za nehrđajući čelik 316.