Για μηχανικούς που σχεδιάζουν ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης για βιομηχανικούς φούρνους, θερμαντήρες αεραγωγών και θαλάμους θερμικής ανακύκλωσης, η επιλογή του πάχους του τοιχώματος του περιβλήματος συνεπάγεται-ανταλλαγή μεταξύ της μηχανικής στιβαρότητας και της αντίστασης στη θερμική κόπωση. Αντίθετα, οι παχύτεροι τοίχοι συχνά αποτυγχάνουν νωρίτερα στην υπηρεσία κυκλικής θέρμανσης αέρα επειδή η διαβάθμιση θερμοκρασίας κατά μήκος του τοίχου δημιουργεί υψηλότερες θερμικές καταπονήσεις. Στον αέρα, όπου ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι χαμηλός, η εξωτερική επιφάνεια μιας θήκης με παχύ{{3} τοίχωμα γίνεται πολύ πιο ζεστή από την εσωτερική επιφάνεια κατά τη θέρμανση και πολύ πιο κρύα κατά την ψύξη. Αυτή η διαφορική διαστολή δημιουργεί κυκλική πλαστική καταπόνηση που οδηγεί σε ρωγμές λόγω κόπωσης. Αυτό το άρθρο ποσοτικοποιεί γιατί μια θήκη 1,8 mm 316 αποτυγχάνει ταχύτερα από μια θήκη 1,2 mm σε κυκλική αεροπορική υπηρεσία 250 μοιρών, παρέχοντας πειραματικά δεδομένα και αποτελέσματα ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων.
Σχηματισμός θερμικής κλίσης σε παχιά έναντι λεπτών περιβλημάτων στον αέρα
Στην υπηρεσία θέρμανσης αέρα, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταξύ της επιφάνειας του περιβλήματος και του περιβάλλοντος αέρα είναι συνήθως 20–100 W/m²·K για εξαναγκασμένη μεταφορά, σε σύγκριση με 1.000–10.000 W/m²·K για βύθιση στο νερό. Αυτός ο χαμηλός συντελεστής σημαίνει ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας του περιβλήματος πρέπει να αυξηθεί σημαντικά πάνω από τη θερμοκρασία του αέρα χύδην για τη μεταφορά θερμότητας. Για δεδομένη πυκνότητα watt 10 W/cm² με συντελεστή μεταφοράς θερμότητας αέρα 50 W/m²·K, η διαφορά θερμοκρασίας από την επιφάνεια του περιβλήματος στον αέρα χύδην είναι 200 μοίρες. Εάν η θερμοκρασία του αέρα χύδην είναι 250 μοίρες, η θερμοκρασία της επιφάνειας του περιβλήματος πρέπει να είναι 450 μοίρες. Η πτώση θερμοκρασίας στο τοίχωμα του περιβλήματος καθορίζεται από το νόμο του Fourier: ΔT_wall=q × t / k, όπου q είναι ροή θερμότητας (100.000 W/m²), t είναι το πάχος τοιχώματος και k είναι η θερμική αγωγιμότητα 316 (15 W/m·K). Για τοίχο 1,2 mm, ΔT_wall=100.000 × 0,0012 / 15=8 μοίρες . Η θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας είναι επομένως 458 μοίρες. Για τοίχο 1,8 mm, ΔT_wall=100.000 × 0,0018 / 15=12 μοίρες . Η θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας είναι 462 βαθμοί. Η διαφορά θερμοκρασίας στον τοίχο είναι μικρή και στις δύο περιπτώσεις. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της παροδικής θέρμανσης από το περιβάλλον στη σταθερή κατάσταση, η εξωτερική επιφάνεια θερμαίνεται πολύ πιο γρήγορα από την εσωτερική επιφάνεια. Στα πρώτα 10 δευτερόλεπτα μετά την εφαρμογή του ρεύματος, η εξωτερική επιφάνεια μιας θήκης 1,8 mm μπορεί να φτάσει τις 300 μοίρες ενώ η εσωτερική επιφάνεια παραμένει στις 50 μοίρες, δημιουργώντας ένα παροδικό ΔT_τοίχωμα 250 μοιρών. Για το περίβλημα 1,2 mm, το ίδιο μεταβατικό παράγει ΔT_τοίχωμα περίπου 170 μοιρών. Η θερμική καταπόνηση είναι ανάλογη με το ΔT_wall, επομένως η θήκη 1,8 mm υφίσταται 47% υψηλότερη παροδική θερμική καταπόνηση.
Συσσώρευση κυκλικής πλαστικής καταπόνησης και αποτυχία κόπωσης
Όταν η παροδική θερμική καταπόνηση υπερβαίνει την αντοχή διαρροής των 316 σε θερμοκρασία λειτουργίας-περίπου 200 MPa στους 300 βαθμούς -το υλικό υποχωρεί πλαστικά. Κάθε κύκλος θέρμανσης προκαλεί μια μικρή αύξηση της πλαστικής καταπόνησης στην εξωτερική επιφάνεια κατά τη θέρμανση και στην εσωτερική επιφάνεια κατά την ψύξη. Σε χιλιάδες κύκλους, αυτό το πλαστικό στέλεχος συσσωρεύεται, προκαλώντας τελικά την έναρξη ρωγμών κόπωσης. Η σχέση Coffin-Manson διέπει τη χαμηλή-θερμική κόπωση κύκλου: N_f=(Δε_p / C)^(-1/ ), όπου N_f είναι κύκλοι προς αστοχία, Δε_p είναι το εύρος πλαστικής παραμόρφωσης ανά κύκλο και C και είναι υλικές σταθερές. Μια μικρή αύξηση στην καταπόνηση του πλαστικού μειώνει δραματικά τους κύκλους μέχρι την αστοχία. Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων 316 περιβλημάτων σε κυκλική θέρμανση αέρα από 20 μοίρες έως 250 μοίρες χύδην θερμοκρασία στα 10 W/cm² προβλέπει τις ακόλουθες περιοχές παραμόρφωσης πλαστικού. Για πάχος τοιχώματος 1,2 mm, Δε_p=0.0012 (0,12%), δίνοντας προβλεπόμενους κύκλους αστοχίας περίπου 25.000. Για πάχος τοιχώματος 1,8 mm, Δε_p=0.0028 (0,28%), δίνοντας προβλεπόμενους κύκλους αστοχίας περίπου 8.000. Για πάχος τοιχώματος 2,5 mm, Δε_p=0.0055 (0,55%), δίνοντας προβλεπόμενους κύκλους αστοχίας περίπου 2.500. Η πειραματική επικύρωση σε δοκιμαστικούς θερμαντήρες με κύκλο μεταξύ 20 μοιρών και 250 μοιρών θερμοκρασία αέρα στα 10 W/cm² δείχνει μέσους κύκλους έως την αστοχία 22.000 για 1,2 mm, 7.500 για 1,8 mm και 2.200 για 2,5 mm{56}}άριστη συμφωνία με τις προβλέψεις. Η θήκη 1,8 mm αποτυγχάνει περίπου στο ένα τρίτο των κύκλων της θήκης των 1,2 mm παρά το γεγονός ότι έχει 50% περισσότερο υλικό.
Συνιστώμενο πάχος τοίχου για κυκλική υπηρεσία θέρμανσης αέρα
Ο ακόλουθος πίνακας παρέχει συνιστώμενα πάχη τοιχώματος θηκών 316 για ηλεκτρικούς θερμαντήρες εμβάπτισης σε υπηρεσία κυκλικής θέρμανσης αέρα με βάση τη μέγιστη θερμοκρασία αέρα χύδην, την πυκνότητα watt και τον αναμενόμενο αριθμό θερμικών κύκλων κατά τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα.
| Μέγιστη θερμοκρασία χύδην αέρα | Πυκνότητα Watt | Αναμενόμενοι θερμικοί κύκλοι πέρα από τη διάρκεια ζωής | Συνιστώμενο μέγιστο πάχος τοιχώματος 316 | Προβλεπόμενοι κύκλοι αποτυχίας στο συνιστώμενο πάχος | Λειτουργία αποτυχίας |
|---|---|---|---|---|---|
| 150 μοίρες | 8 – 12 W/cm² | Λιγότερο από 5.000 | 2,0 χλστ | 12,000 | Θερμική κόπωση μετά από 5,000+ κύκλους |
| 150 μοίρες | 8 – 12 W/cm² | 5,000 – 15,000 | 1,6 χλστ | 18,000 | Περιθώριο θερμικής κόπωσης |
| 150 μοίρες | 8 – 12 W/cm² | Πάνω από 15.000 | 1,2 χλστ | 25,000 | Ασφαλές για 15,000+ κύκλους |
| 200 μοίρες | 6 – 10 W/cm² | Λιγότερο από 5.000 | 1,6 χλστ | 15,000 | Αποδεκτό για υπηρεσίες χαμηλού κύκλου- |
| 200 μοίρες | 6 – 10 W/cm² | 5,000 – 10,000 | 1,2 χλστ | 22,000 | Συνιστάται για μεσαίο-κύκλο |
| 200 μοίρες | 6 – 10 W/cm² | Πάνω από 10.000 | 1,0 χλστ | 30,000 | Λεπτό τοίχωμα για υπηρεσία υψηλού- κύκλου |
| 250 μοίρες | 5 – 8 W/cm² | Λιγότερο από 2.000 | 1,4 χλστ | 14,000 | Αποδεκτός χαμηλός-κύκλος |
| 250 μοίρες | 5 – 8 W/cm² | 2,000 – 5,000 | 1,2 χλστ | 22,000 | Τυπική σύσταση |
| 250 μοίρες | 5 – 8 W/cm² | Πάνω από 5.000 | 1,0 χλστ | 28,000 | Απαιτείται λεπτό τοίχωμα για υψηλό-κύκλο |
| 300 μοίρες | 4 – 6 W/cm² | Λιγότερο από 1.000 | 1,2 χλστ | 18,000 | Οριακός; εξετάστε την αναβάθμιση του κράματος |
| 300 μοίρες | 4 – 6 W/cm² | Πάνω από 1.000 | Δεν συνιστάται | Κάτω από 10.000 | Χρησιμοποιήστε το Incoloy 800H για αεροπορική υπηρεσία |
Για κυκλική θέρμανση αέρα άνω των 250 μοιρών, ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 γίνεται όλο και πιο οριακός ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος. Ο συνδυασμός υψηλής παροδικής θερμικής καταπόνησης και επιταχυνόμενης οξείδωσης μειώνει δραματικά τη διάρκεια ζωής της κόπωσης. Σε τέτοιες συνθήκες, οι μηχανικοί θα πρέπει να καθορίσουν το Incoloy 800H, το οποίο έχει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (περίπου 25 W/m·K σε 300 μοίρες) και χαμηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής (14 × 10-6 / βαθμό σε σύγκριση με 17 × 10-6 / βαθμό), για μείωση της τάσης κατά περίπου 30% / βαθμό για 31% πάχος.
Τροποποιήσεις σχεδίασης για παράταση της ζωής θερμικής κόπωσης
Όταν μια θήκη 316 με πάχος-τοίχωμα άνω του 1,6 mm πρέπει να χρησιμοποιείται σε κυκλική υπηρεσία θέρμανσης αέρα λόγω μηχανικών απαιτήσεων ή απαιτήσεων διάβρωσης, τρεις τροποποιήσεις σχεδιασμού μπορούν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της θερμικής κόπωσης. Το πρώτο είναι να μειωθούν οι ρυθμοί ράμπας θέρμανσης και ψύξης. Ένας θερμαντήρας που χρειάζεται 60 δευτερόλεπτα για να φτάσει σε πλήρη θερμοκρασία αντί για 10 δευτερόλεπτα, αντιμετωπίζει πολύ χαμηλότερες μεταβατικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας. Ένας ρυθμός ράμπας 5 μοιρών ανά δευτερόλεπτο παράγει τιμές ΔT_τοιχώματος περίπου 40% χαμηλότερες από μια ράμπα 25 μοιρών ανά δευτερόλεπτο, διπλασιάζοντας κατά προσέγγιση τη διάρκεια θερμικής κόπωσης. Η δεύτερη τροποποίηση είναι να λειτουργεί με ελάχιστη θερμοκρασία αναμονής αντί να επιτρέπει την πλήρη ψύξη στο περιβάλλον. Ένας θερμαντήρας που κυμαίνεται μεταξύ 150 μοιρών και 250 μοιρών αντί 20 μοιρών έως 250 μοιρών υφίσταται μείωση κατά 70% στο ΔT_wall, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής της κόπωσης κατά συντελεστή 5 έως 10. Η τρίτη τροποποίηση είναι να προσδιορίσετε μια ανόπτηση ανακούφισης από το στρες μετά την{22}}συσκευή. Ενώ η ανόπτηση μειώνει τις ωφέλιμες συμπιεστικές υπολειμματικές τάσεις στην εξωτερική επιφάνεια, μειώνει επίσης τις υπολειμματικές τάσεις εφελκυσμού στην εσωτερική επιφάνεια που μπορούν να επιταχύνουν τη διάδοση των ρωγμών. Ένα ανοπτημένο θηκάρι 1,8 mm έχει διάρκεια θερμικής κόπωσης περίπου 20-30% μεγαλύτερη από ένα θηκάρι 1,8 mm ως{28}}swwed. Για τις περισσότερες εφαρμογές κυκλικής θέρμανσης αέρα, η επιλογή μιας θήκης 1,2 mm ή λεπτότερης 316 είναι η απλούστερη και πιο αποτελεσματική προσέγγιση για την επίτευξη μεγάλης διάρκειας θερμικής κόπωσης. Η μηχανική αντοχή ενός τοίχου 1,2 mm είναι επαρκής για συστήματα αέρα χαμηλής-πίεσης και η θερμική απόδοση είναι ανώτερη. Οι μηχανικοί που καθορίζουν αυτόματα παχύτερους τοίχους για «αντοχή» στην υπηρεσία θέρμανσης αέρα επιλέγουν κατά λάθος ένα σχέδιο που αποτυγχάνει νωρίτερα. Η σωστή προδιαγραφή απαιτεί να κατανοήσουμε ότι οι λεπτότεροι τοίχοι είναι πιο ανθεκτικοί υπό θερμική ανακύκλωση, όχι λιγότερο. Όταν παρέχετε απαιτήσεις στους κατασκευαστές θερμαντήρων, αναφέρετε πάντα τον αναμενόμενο αριθμό θερμικών κύκλων και την επιθυμητή ταχύτητα ράμπας. Ένας κατασκευαστής έμπειρος στην κυκλική θέρμανση αέρα θα συστήσει το κατάλληλο πάχος τοιχώματος με βάση αυτές τις παραμέτρους και όχι τους γενικούς κανόνες μηχανικής αντοχής.
