Care este grosimea de încredere a mantalei pentru încălzitoarele cu circulație din oțel inoxidabil 316 în saramură de clorură de calciu 40% la 90 de grade cu presiune de sistem de 5 bar

Principalul schimb-în serviciul de saramură de-înaltă densitate

Saramură de clorură de calciu (concentrație de 40%) este un fluid de transfer termic tipic utilizat în sistemele de refrigerare, aplicații de de-givrare și bucle de răcire industriale. Saramura cu clorură de calciu (densitate aproximativ 1,4 g/cm3, punctul de îngheț -45 grade la concentrație optimă) este mai densă decât saramura cu clorură de sodiu și poate fi menținută lichidă la temperaturi mai scăzute. Oțelul inoxidabil 316 îndeplinește un mediu foarte solicitant la 90 de grade și o presiune a sistemului de 5 bar. 40% saramură de clorură de calciu are un conținut de clorură de aproximativ 25% în greutate și este foarte agresiv. Cu toate acestea, comportamentul coroziv este moderat în comparație cu clorura de sodiu datorită prezenței ionilor de calciu. Ionii de calciu inhibă activitatea ionilor de clorură prin împerecherea ionilor. Pentru o grosime sigură a mantalei pentru această funcție, trebuie luate în considerare limitarea presiunii, rezistența la sâmburi în saramură cu conținut ridicat de clorură, eroziunea de la orice solide în suspensie și eficiența termică necesară transferului de căldură. Spre deosebire de clorura ferică, unde 316 nu este foarte potrivit, inoxidabilul 316 poate lua saramură de clorură de calciu la temperaturi moderate, cu grosimea și disciplina operațională potrivite.

Reținere a presiunii la 5 bar și 90 C

Cerința de efort al cercului pentru o manta de încălzire cu circulație la presiunea sistemului de 5 bar este mică, dar nu zero. Pentru un tub cu diametrul exterior de 12 mm, depinde de grosimea peretelui. Formula tensiunii cercului este σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t produce următoarele valori: pentru un perete de 1,2 mm (raza interioară 4,8 mm), efortul este de 0,5 MPa ori 4,8 mm peste 1,2 mm, ceea ce dă 2,0 MPa. Pentru un perete de 2,0 mm (raza interioară 4,0 mm), efortul este de 0,5 MPa ori 4,0 mm împărțit la 2,0 mm, care este 1,0 MPa. Ambele rezultate sunt considerabil mai mici decât limita de curgere de 170 MPa a oțelului inoxidabil 316 la 90 de grade. Grosimea nu este determinată doar de limitarea presiunii. Cu toate acestea, încălzitoarele de circulație ale sistemului de saramură sunt adesea montate pe fitinguri filetate sau cu flanșe care sunt necesare pentru a suporta cuplul de instalare și presiunile de dilatare termică. Grosimea minimă la locurile de conectare trebuie să fie de 1,2 mm pentru cuplarea filetului și rezistența mecanică. Pereții mai subțiri de 1,0 mm pot fi în pericol de dezlipire sau deformare atunci când sunt instalați.

Rezistență la coroziune localizată în saramură concentrată de clorură de calciu

Rezistența la stropire a oțelului inoxidabil 316 într-o saramură cu clorură de calciu este mult mai bună decât cea într-o saramură cu clorură de sodiu la procente similare în greutate de clorură. Acest lucru se datorează faptului că ionii de clorură sunt mai puțin activi în soluțiile de clorură de calciu. Temperatura critică de pitting a oțelului inoxidabil 316 în concentrația de ioni de clorură de 25% (de la 40% CaCl2) este de aproximativ 45-55 grade, în funcție de conținutul de oxigen și starea de curgere. Soluția este mult peste temperatura critică de pitting de 90C, astfel încât va avea loc pitting. Întrebarea este cu ce viteză se propagă gropile. Ratele de creștere a gropii pentru oțel inoxidabil 316 în 40% CaCl₂ la 90 de grade în condiții aerate sunt publicate ca 0,3-0,8 mm/an, valoarea inferioară fiind asociată cu condițiile de curgere turbulente care împiedică concentrația de clorură la intrarea în groapă. Pentru un încălzitor circulant cu o viteză de curgere de 1,5-2,0 m/s, rata de creștere a gropii este de aproximativ 0,3-0,5 mm/an. Adâncimea maximă estimată a gropii este de 1,5 până la 2,5 mm pe o durată de viață de cinci ani. Acest calcul este un factor direct pentru alegerea grosimii. Un perete de 1,5 mm ar avea o probabilitate mare de perforare după cinci ani. Peretele este de 2,0 mm. După 5 ani de extindere a gropii, marja de siguranță este de 0,5-1,5 mm. O grosime a peretelui de 2,5 mm oferă o marjă mai mare, dar cu penalități mari de căldură și costuri. Intervalul de grosime fiabil pentru o durată de viață de 5 ani este de 2,0-2,3 mm.

Considerații pentru coroziunea uniformă și atacul în crăpături

Problema principală este pitting, cu toate acestea, puteți măsura coroziunea uniformă în saramură cu 40% clorură de calciu la 90 de grade. Studiile de pierdere în greutate publicate arată rate de coroziune de 0,05-0,12 mm/an în condiții de curgere și sunt consecvente. Scăderea uniformă de 0,25 până la 0,60 mm este observată pe parcursul a 5 ani. Această deteriorare scade grosimea efectivă a peretelui disponibilă pentru a rezista la pătrunderea pittingurilor. O viteză de coroziune uniformă pe 5 ani de 0,10 mm/an pe un perete de 2,0 mm lasă o grosime de 1,5 mm înainte de a începe pipatura. O groapă care se extinde cu o rată de 0,4 mm pe an timp de cinci ani ar atinge o adâncime de 2,0 mm, perforând peretele. Combinația dintre pierderea constantă și pitting înseamnă că un perete de 2,0 mm este aproape de limita fiabilității pentru o durată de viață completă de cinci ani. Atacul în crăpături la garniturile flanșelor, conexiunile filetate și sub orice depuneri de calcară i se oferă o dimensiune suplimentară. Viteze de coroziune localizate de 0,5-1,0 mm pe an pot apărea în fisurile din saramură cu clorură de calciu. Din acest motiv, încălzitoarele cu circulație pentru serviciul cu saramură ar trebui să aibă o construcție sudată și nu filetate, iar garniturile trebuie evitate ori de câte ori este posibil.

Performanța termică a pereților groși Costul pereților groși

Conductivitatea termică a saramurului cu clorură de calciu 40% este de aproximativ 0,55 W/m·K la 90 de grade, mult mai mică decât cea a apei (0,68 W/m·K). Astfel, coeficientul de transfer de căldură convectiv în fluxul turbulent este mai mic, de obicei 600-1000 W/m²·K comparativ cu 1500-2500 W/m²·K pentru apă. Astfel, rezistența termică a mantalei este o contribuție mai mare la circuitul termic total decât în ​​serviciul de apă. Pentru un tub cu diametrul exterior de 12 mm, rezistența electrică crește cu aproximativ 0,004 m²·K/W pe măsură ce grosimea peretelui crește de la 1,5 mm la 2,5 mm. Această rezistență crescută crește temperatura învelișului cu 8-10 grade pentru o densitate tipică în wați a încălzitorului de circulație de 7-8 W/cm2. Cu un perete de 2,5 mm, temperatura învelișului poate fi crescută la 110-115 grade pentru o temperatură în vrac de 90 de grade. Rata de pitting la aceste temperaturi a fost crescută cu aproximativ 50-100% în comparație cu cea de la 100 de grade. Grosimea crescută a peretelui pentru rezistența la coroziune ar putea promova picking datorită efectului de căldură. Acest lucru are ca rezultat o fereastră de grosime optimă, suficient de subțire pentru a păstra temperatura învelișului<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Recomandări de grosime pentru diferite condiții de service, fiabile

Pentru un încălzitor cu circulație în saramură de clorură de calciu 40% la 90 de grade și 5 bari cu debit turbulent (Re > 10.000) și o durată de viață de cinci ani, grosimea sigură a mantalei este de 2,0-2,2 mm. Această grosime permite o toleranță de pitting de 1,0-1,5 mm după cinci ani de coroziune uniformă, presupunând o rată de creștere a gropii de 0,4 mm pe an. Suficient pentru o durată de viață de 3 ani 1,6-1,8 mm Aceasta este 2,5-2,8 mm pentru o durată de viață de zece ani, dar penalizarea termică devine considerabilă. O actualizare la un aliaj mai mare, cum ar fi 316Ti sau 317L, poate fi mai rentabilă. Pentru sistemele cu flux laminar sau zone moarte cu rate mai mari de pitting, grosimea trebuie crescută cu 0,3–0,5 mm. Pentru sistemele care utilizează saramură dezaerată (oxigen dizolvat mai mic de 100 ppb), rata de pitting este redusă la 0,1-0,2 mm pe an și poate fi redusă la 1,5-1,8 mm pentru o viață de cinci ani.

Măsuri practice de proiectare care reduc cerințele de grosime

Sunt disponibile diferite măsuri de proiectare pentru a reduce grosimea necesară a tecii fără a compromite fiabilitatea. În primul rând, gestionarea debitului: este impusă o viteză minimă de curgere de 1,5 m/s pentru a evita stagnarea stratului limită și pentru a minimiza ratele de sâmburi cu un factor de doi. 2. Deaerare: O pătură de azot deasupra rezervorului de expansiune scade oxigenul dizolvat de la 8 ppm la mai puțin de 0,5 ppm, cu o reducere remarcabilă a vitezei de coroziune și constantă a zâmbițurilor. În al treilea rând, adăugarea de inhibitori. Cromatul de sodiu sau molibdatul de sodiu la 200-500 ppm mărește foarte mult rezistența la sâmburi și permite o reducere a grosimii cu 0,3-0,5 mm. În al patrulea rând, finisarea suprafeței. Tuburile electrolustruite au mai puține locuri de inițiere a gropii și rate mai mici de creștere a gropii decât tuburile lustruite mecanic. Un perete electrolustruit de 1,8 mm poate funcționa mai bine decât un perete trasat de 2,2 mm.

Concluzie: Grosimea de încredere pentru clorură de calciu saramură

Grosimea mantalei de 2,0-2,2 mm s-a dovedit a fi una de încredere timp de cinci ani de viață de proiectare a încălzitoarelor de circulație 316 SS în circumstanțe turbulente, aerate pentru saramură de clorură de calciu 40% la 90 grade C și presiune de 5 bar. Această grosime este un compromis între toleranța de pitting, marja uniformă de coroziune și performanța termică. Pereții mai subțiri de 1,8 mm pot să se perforeze în decurs de 3 ani. Pereții mai groși de peste 2,5 mm ridică temperatura învelișului într-o regiune în care pipăturile se accelerează, iar întoarcerile se reduc. Cea mai sigură specificație include nu doar grosimea, ci și specificațiile pentru viteza minimă de curgere (1,5 m/s), finisarea suprafeței (electrolustruit) și controlul oxigenului dizolvat acolo unde este posibil. Inginerii ar trebui să indice durata de viață proiectată în ani și regimul de curgere atunci când definesc. Acest lucru transformă decizia de grosime de la o estimare la un calcul folosind date publicate de coroziune și modelare termică, oferind performanțe fiabile pe termen lung într-una dintre condițiile saline mai problematice pentru oțelul inoxidabil 316.