Care este grosimea maximă admisă a mantalei pentru încălzitoarele tubulare cu aripioare din oțel inoxidabil 316 în flux de aer cu viteză mare-(10-25 m/s)?

Comerțul de bază-în încălzitoarele de aer cu convecție forțată

Încălzitoarele tubulare cu aripioare din oțel inoxidabil 316 sunt utilizate frecvent în încălzitoarele de conducte, unitățile de tratare a aerului și cuptoarele de uscare, unde substanțele chimice corozive din aer, cum ar fi spray-ul de sare, acizii diluați sau evacuarea industrială umedă, necesită rezistența la coroziune a oțelului austenitic cu molibden-. Utilizarea aripioarelor îmbunătățește semnificativ suprafața de transfer de căldură; cu toate acestea, grosimea tecii de sub aripioare este un parametru important de proiectare. Pereții mai mari oferă o rezistență mai bună la eroziune-coroziune și la solicitarea mecanică rezultată din vibrația generată de flux la viteză mare a fluxului de aer (10-25 m/s). Dar, fiecare milimetru suplimentar de grosime se adaugă la rezistența termică de la firul de rezistență la rădăcina aripioarei, reducând astfel producția generală de căldură și crescând temperatura învelișului. Acest studiu calculează grosimea peretelui limită a încălzitoarelor din oțel inoxidabil 316 cu aripioare pentru serviciul cu aer forțat în cazul în care limitele termice sunt depășite, ducând la supraîncălzire, coroziune crescută și defecțiune timpurie a atașamentelor aripioarelor.

Integritate mecanică și eroziune{0}}Coroziunea în aerul cu viteză mare

316 stainless steel will erode-corrode measurably at air velocities >10 m/sec transportând particule în suspensie (praf, cristale de sare sau solide de proces). Filmul pasiv este uzat continuu, iar metalul de dedesubt este îndepărtat la viteze de la 0,02 la 0,10 mm pe an, în funcție de încărcarea particulelor și unghiul de impact. Pentru un încălzitor care trebuie să funcționeze 40.000 de ore (aproximativ 5 ani de funcționare continuă), peretele de 1,2 mm ar pierde 0,1-0,5 mm, poate mai puțin de 1,0 mm. Acest lucru este de obicei bine pentru sistemele de aer de joasă presiune. Problema mecanică mai mare este însă vibrația indusă de flux{17}. Tuburile cu aripioare au o zonă mare proiectată către fluxul de aer și, la 15-25m/s, vărsarea vortexului poate cauza tensiuni alternative care duc la fisurarea de oboseală la atașarea aripioarei la manta sau la capetele fixe ale tubului. Durata de viață la oboseală a unui tub cu pereți subțiri este semnificativ mai scurtă decât cea a unui tub mai gros, deoarece amplitudinea tensiunii alternante pentru o anumită deformare este invers proporțională cu grosimea peretelui. Pentru un tub cu diametrul exterior de 12 mm și deschidere nesusținută de 500 mm într-un flux de aer de 20 m/s, efortul de încovoiere alternativ calculat este de ordinul a 35 MPa pentru un perete de 1,2 mm și doar 18 MPa pentru un perete de 2,4 mm - o reducere cu un factor de doi. Limita de anduranță pentru oțelul inoxidabil 316 recoapt este de aproximativ 240MPa, prin urmare ambele valori sunt sigure. Cu toate acestea, concentrațiile de tensiuni la sudurile cu aripioare sau îmbinările laminate pot crește tensiunile locale cu factori de 3-5. În astfel de cazuri, un perete mai gros este o marjă de siguranță importantă împotriva apariției fisurilor de oboseală. Integritatea mecanică are o grosime minimă nu maximă. Cu cât este mai gros, cu atât este mai bine pentru rezistența la oboseală și eroziune.

Rezistență termică și constrângere la supraîncălzire

Penalizarea termică datorată pereților groși în încălzitoarele cu aripioare este mai mare decât pentru încălzitoarele cu imersie în lichid din cauza coeficientului de transfer de căldură convectiv semnificativ mai scăzut (de obicei 50-200 W/m2K față de 500-5000 W/m2K pentru lichide). Rezistența termică generală este dominată de stratul limită lateral-aerului, deși rezistența învelișului este încă importantă. Într-un tub cu aripioare, căldura trebuie să fie condusă radial prin manta până la baza aripioarelor. Grosimea tecii este mărită de la 1,2 mm la 2,4 mm, dublând lungimea canalului conductor. Conductivitatea termică a oțelului inoxidabil 316 la 100 de grade este de 16,3 W/m·K. Rezistența termică suplimentară pe mm grosime este de aproximativ 0,0037 m 2 K/W. Coeficientul de convecție pentru aer la 15 m/s este de 120 W/m 2 K și rezistența pe partea aerului este de 0,0083 m 2 K/W . Creșterea grosimii peretelui cu 1,2 mm crește rezistența totală cu aproape 45%, în timp ce reduce producția de căldură cu aproximativ 30% la aceeași temperatură a mantalei. Dar, mai important, pentru o anumită intrare de putere electrică, peretele mai gros necesită o creștere a temperaturii firului de rezistență. Temperatura maximă a firului pentru izolația cu oxid de magneziu (dielectricul intern) este în general de 800-850 de grade. Operarea firului peste această limită va cauza degradarea izolației și defectarea prematură a încălzitorului. Astfel, există o grosime maximă a mantalei dincolo de care temperatura internă a firului nu este sustenabilă la densitatea de putere necesară. Pentru un încălzitor tipic din oțel inoxidabil 316 cu o densitate în wați (pe baza suprafeței cu aripioare) de 3-5 W/cm2 în 20 m/s aer la intrarea de 50 de grade, grosimea maximă admisă a mantalei este de aproximativ 2,0-2,2 mm, astfel încât firul să poată fi menținut sub 800 de grade. Peste această sumă, încălzitorul trebuie să fie redus, ceea ce înseamnă un grup de încălzire mai lung sau mai mare pentru a obține aceeași creștere a temperaturii aerului.

Ghid de selecție bazat pe scenarii-de flux de aer cu viteză mare --

Tabelul de mai jos oferă recomandări privind grosimea maximă a mantalei pentru încălzitoarele tubulare din oțel inoxidabil 316 cu aripioare în serviciu cu aer forțat, bazate pe viteza aerului, încărcarea particulelor și densitatea de putere necesară.

Condiții de funcționare și densitate de putere Compensații mecanice și termice Grosimea maximă admisă a peretelui
Aer curat (fără particule) 10-15 m/s 4 W/cm2 Funcție intermitentă 1,5 mm Eroziunea nesemnificativă. Stresul de oboseală este scăzut. Peretele subțire permite transferul maxim de căldură și menține temperatura firului mult sub 800 o C . Grosimea tubului standard cu aripioare.
Pulverizare salină sau aer umed acid, 15-20 m/s, 3,5 W/cm², funcționare continuă 1,8-2,0 mm Viteza de coroziune-eroziune 0,03-0,05 mm/an. 2.0 mm 40.000 ore toleranță de eroziune 1,2-2,0 mm temperatură rămasă 5 0-8 mm sârmă Verificați cu simularea termică.
Aer încărcat cu particule (praf, fibre), 20-25 m/s, 3 W/cm2, pericol mare de vibrații 2,2 mm Rata de eroziune de până la 0,10 mm/an. 50 % față de. 1.2 mm grosimea peretelui minimizează solicitarea alternantă de oboseală. Trebuie să limiteze densitatea de wați pentru a asigura temperatura firului<800 C. Expect 25-35 % decreased heat output per tube.
Very high velocity (>25 m/sec) sau impact continuu al particulelor.Nu este recomandat pentru design cu aripioare. Aripioarele sunt captatoare de particule, se degradează rapid. Treceți la încălzitor tubular gol cu ​​perete mai gros (2,5-3,0 mm) sau protecție ceramică. Geometrie cu aripioare inadecvată.
Aer curat, viteză mică (5-10 m/s), orice densitate de putere 1,2-1,5 mm Fără eroziune, problemă de oboseală. Peretele mai subțire oferă un răspuns mai rapid. Grosimile mai mari de 1,5 mm sunt risipitoare de material și eficiență mai scăzută fără nici un câștig.
Factori suplimentari de proiectare complementari cu grosimea peretelui

În încălzirea cu aer cu viteză mare, există o interacțiune foarte puternică a grosimii peretelui cu designul aripioarelor, metoda de atașare și aspectul sistemului. În primul rând, atașarea aripioarelor – aripioarele brazate sau sudate-de înaltă frecvență asigură un transfer de căldură mai mare decât aripioarele expandate mecanic, iar teaca poate fi făcută ceva mai groasă fără a depăși restricțiile de temperatură a firului. În al doilea rând, densitatea aripioarelor - care scade pasul aripioarelor (număr mai mic de aripioare pe metru) reduce zona de transfer de căldură, dar reduce și căderea de presiune și excitația vibrațiilor. Densitatea mai mică a aripioarelor permite o înveliș mai groasă pentru o anumită temperatură a firului. În al treilea rând, filtrarea aerului de admisie - îndepărtarea particulelor mai mari de 10 µm reduce ratele de eroziune cu 70-90%, permițând utilizarea unor pereți mai subțiri și mai eficienți termic. În al patrulea rând, distanța dintre suporturile tuburilor - O reducere a deschiderii nesuportate de la 600 mm la 300 mm reduce amplitudinile vibrațiilor generate de flux cu un factor de opt, compensând beneficiul oboselii al pereților groși. În cele din urmă, duritatea materialului - care specifică oțelul inoxidabil 316 trasat la rece (rezistență de curgere mai mare decât cea recoaptă) îmbunătățește rezistența la eroziune fără a crește grosimea.

Concluzie: Determinarea grosimii maxime admisibile pentru serviciul aerian

Alegerea grosimii mantalei pentru încălzitoarele tubulare din oțel inoxidabil 316 cu aripioare în flux de aer de mare viteză este un compromis între două constrângeri opuse. Durabilitatea mecanică necesită un perete mai gros pentru a rezista la eroziune și oboseală, în timp ce limitele termice impun o grosime maximă dincolo de care temperaturile interne ale firului vor fi nesigure. Maximul fezabil pentru majoritatea aplicațiilor industriale cu aer forțat la 15–20 m/s cu încărcare ușoară de particule este de 1,8–2,0 mm. Acest lucru oferă suficientă toleranță la eroziune și tampon la oboseală, menținând în același timp temperaturile firului în limita de 800 de grade pentru izolația cu oxid de magneziu. În general, încălzitoarele cu aripioare nu sunt potrivite pentru viteze ale aerului de peste 25 m/s sau condiții severe de încărcare a particulelor, indiferent de grosimea peretelui și proiectantul ar trebui să utilizeze încălzitoare tubulare goale cu acoperiri de protecție sau alte materiale. Când specificați, menționați întotdeauna viteza aerului, concentrația de particule estimată, densitatea aripioarelor și temperatura maximă permisă a firului. Acest lucru schimbă o specificație de bază a grosimii peretelui într-o evaluare completă a compatibilității aerului de mare viteză, corelând direct selecția dimensiunilor atât cu fiabilitatea mecanică, cât și cu siguranța termică.