Чем оболочка из нержавеющей стали 316 толщиной 1,0 мм отличается от оболочки толщиной 2,0 мм в предотвращении сухих-ожогов при случайной потере покрытия жидкостью в вертикальных погружных нагревателях?

Случайная потеря жидкого покрытия-сухой-возгорание является одной из наиболее распространенных и катастрофических причин отказов вертикальных погружных нагревателей, установленных в резервуарах, отстойниках и технологических емкостях для инженеров по безопасности предприятий и проектировщиков оборудования. Когда уровень жидкости падает ниже нагретой области оболочки, тепло, передаваемое жидкости, теперь рассеивается в оболочке и резистивном проводе. Быстрое повышение температуры приводит к окислению провода, разрушению изоляции MgO и, в конечном итоге, к разрыву оболочки или электрическому сбою. Толщина стенок оболочки из нержавеющей стали 316 является важным параметром, определяющим время повреждения и максимальную температуру в случае сухого-возгорания. В этой статье представлено количественное сравнение характеристик сухого-горения для стеновых оболочек толщиной 1,0 мм и 2,0 мм при одинаковых настройках мощности и воздействия для получения рекомендаций по снижению риска в критически важных приложениях.

Термическая реакция на состояние сухого-ожога как функция толщины стенки
Если вертикальный погружной нагреватель освобождается от -погружения в жидкость, коэффициент теплопередачи на поверхности оболочки снизится примерно с 5000-10 000 Вт/м2-К в кипящей воде или с 500-1000 Вт/м2-К в перемешиваемом масле до примерно 50–100 Вт/м2-К в неподвижном воздухе. Это 100-кратное снижение требует значительного увеличения температуры поверхности оболочки для рассеивания того же теплового потока . 10 Вт/см2 (100 000 Вт/м2) нагревателя в воздухе с коэффициентом естественной конвекции 50 Вт/м2-К, установившаяся температура поверхности будет на 100 000/50=2 000 градусов выше температуры окружающей среды, что намного выше температуры плавления нержавеющей стали 316. В действительности нагреватель никогда не достигает равновесия. Вместо этого он нагревается до тех пор, пока не сломается резистивный провод или не сработает термоотключение. Тепловая масса оболочки и внутренних частей контролирует скорость повышения температуры при сухом горении. Стеновая оболочка толщиной 1,0 мм имеет почти половину тепловой массы на единицу площади, чем оболочка толщиной 2,0 мм. Следовательно, его температура увеличивается примерно в два раза быстрее в первые секунды сухого горения. Экспериментальные данные для оболочек с внешним диаметром 10 мм при мощности 10 Вт/см2 в неподвижном воздухе показывают, что стенка толщиной 1,0 мм достигает температуры 400 градусов на внешней поверхности за 8 секунд, тогда как стенка толщиной 2,0 мм требует 16 секунд для достижения температуры 400 градусов. Однако оболочка толщиной 2,0 мм удерживает больше тепла и, следовательно, дольше сохраняет температуру выше критической при отключении питания.

Сравнение максимальной температуры и времени до отказа
Критическая температура отказа нагревателя в корпусе из стали 316 определяется пределом окисления внутренней никель-хромовой резистивной проволоки и составляет примерно 800-850 градусов для непрерывной работы. Благодаря изоляционному слою MgO температура провода при сухом-горении примерно на 50-100 градусов превышает температуру внутренней поверхности оболочки. Температура проволоки достигает 800 градусов, а быстрое окисление начинается при температуре 700 градусов на внутренней поверхности оболочки. Время достижения этого порога зависит от толщины стенки. Для стенки толщиной 1,0 мм внутренняя поверхность оболочки достигает температуры 700 o C примерно через 25 секунд при мощности 10 Вт/см 2 в неподвижном воздухе. Общее время до обрыва провода составляет около 35-45 секунд. В тех же условиях, но при толщине стенки 2,0 мм, внутренняя поверхность оболочки достигает 700 градусов примерно через 55 с, а разрушение провода происходит между 75 и 90 с. При более толстом покрытии время выживания при сухом ожоге увеличивается в 2–2,5 раза. Это различие весьма важно для применений, в которых срабатывание термовыключателя или реле уровня может занять несколько секунд. Оболочка толщиной 1,0 мм может выйти из строя до того, как откроется медленно реагирующий механический термостат, тогда как оболочка толщиной 2,0 мм обладает достаточной тепловой инерцией, чтобы сократить время реакции.

Сравнение матрицы выживаемости при сухих-ожогах
В таблице ниже дано прямое сравнение характеристик оболочки 316 диаметром 1,0 мм и 2,0 мм при возникновении сухих-жогов при различных рабочих настройках. Значения подразумевают вертикальный погружной нагреватель в неподвижном воздухе после потери жидкости, без активного охлаждения или принудительной конвекции.

Плотность ватт в сухом состоянии-Сгорание Толщина стенки рабочей оболочки Время до внешней поверхности при 400 градусах Время до внутренней поверхности при 700 градусах Общее время до отказа проводов Рекомендуемая стратегия защиты
5 Вт/см2 1.0 мм 12 секунд 40 секунд 55–70 секунд Быстродействующее термоотключение (< 30 секунд)
5 Вт/см² 2,0 мм 24 секунды 85 секунд 110 - 140 секунд Допустимо стандартное термоотключение 10 Вт/см² 1,0 мм 8 секунд 25 секунд 35 - 45 секунд Электронное реле уровня Требуется реакция 5 секунд
10 Вт/см2 2.0 мм 16 сек. 55 сек. 75 – 90 сек. Допустимо стандартное термическое отключение или реле уровня 15 Вт/см2 1.0 мм 5 с. 16 с. 22 – 30 с. Резервная защита обязательна; высокий риск 15 Вт/см2 2.0 мм 11 сек. 38 сек. 50 – 65 сек. Рекомендуется быстродействующее тепловое отключение 20 Вт/см2 1.0 мм 4 с. 12 с. 17 – 22 с. Не рекомендуется, любая защита, скорее всего, будет работать слишком медленно.
20 Вт/см² 2,0 мм 8 сек 28 сек 40 – 50 сек2 реакция требуется электронная защита
Для приложений с плотностью ватт более 15 Вт/см 2 и тонкими стенками менее 1,2 мм время выживания при сухом-горении настолько короткое, что только электронная защита с откликом менее-секунды может предотвратить повреждение, например, термопара, имплантированная в оболочку, связанная с полупроводниковым-реле. Механические термостаты и термопредохранители имеют время срабатывания 5–15 секунд, что значительно превышает окно выживания.

Изменения конструкции для повышения стойкости к сухому-выгоранию
Три изменения в конструкции могут увеличить время выживания, когда термическая реакция требует тонкостенной оболочки 316, но существует риск сухого ожога. Самый лучший и простой способ — добавить отдельное отключение при недостатке воды, которое будет отключать электричество, когда уровень жидкости упадет ниже нагреваемой части. Датчик проводимости или поплавковый выключатель, расположенный на минимальном уровне жидкости, обеспечивает защиту до того, как нагреватель подвергнется воздействию. Второе изменение заключается в уменьшении удельной мощности в верхней части нагревателя. Конструкция с уменьшающейся плотностью ватт - снижает мощность на единицу длины в верхней части, где наиболее вероятно воздействие, - увеличивает время выживания при сухом-сгорании без ущерба для общей мощности нагревателя. Последнее изменение заключается в размещении термопары непосредственно на внутренней поверхности оболочки 316. Этот датчик может обнаружить быстрое повышение температуры сухого-горения за 1-2 секунды, поэтому система управления может отключить питание до того, как провод достигнет критической температуры. Это типичный способ реализации высоконадежных нагревателей на важных операциях. Для большинства промышленных применений настенная оболочка толщиной 2,0 мм обеспечит простую и надежную защиту от сухого-возгорания. Увеличенный период выживания позволяет штатным защитным системам работать стабильно, а более толстая стенка выдерживает случайные короткие-возгорания без каких-либо необратимых повреждений. Инженеры должны запросить у производителя указанную безопасную толщину стенок и описать ожидаемое время реакции защиты от сухого-возгорания. Если поставщик не может предоставить это исследование, он может не полностью понимать термическую динамику условий сухого-горения. Стоимость увеличения толщины стенки с 1,0 мм до 2,0 мм невелика по сравнению со стоимостью выхода из строя нагревателя, приводящего к остановке производства или опасности пожара из-за перегрева материалов. Если вы не уверены, выберите более толстую стенку и заплатите небольшой штраф за теплоэффективность из-за прочности сухого обжига.