Каков максимально допустимый температурный градиент вдоль нагревателя PFA длиной 1,2 м, позволяющий избежать коробления оболочки?

Вертикальный нагреватель из PFA может иметь температурный градиент сверху вниз из-за естественной конвекции (верхняя часть горячее) или не-неравномерной обмотки. Когда верхняя часть намного горячее нижней части, несоответствие теплового расширения вызывает сжимающее напряжение в более горячей области. Когда сжимающее напряжение превышает критическую нагрузку на изгиб трубки PFA, оболочка выгибается и образует волну или изгибается, касаясь стенки резервуара или близлежащих нагревателей. Для отдельно стоящего вертикального обогревателя длиной 1,2 м из PFA, внешним диаметром 25 мм и толщиной стенки 2 мм максимально допустимый осевой градиент температуры (ΔT сверху вниз) составляет 25–35 градусов. Выпучивание наблюдается после 100-500 тепловых циклов при градиенте температуры более 40 град. Для обогревателей, ограниченных опорными кронштейнами, допустимый уклон меньше (от 15 до 25 градусов). Градиент в критическом состоянии зависит от коэффициента гибкости трубки (длина/диаметр) и толщины стенки.

Механика потери устойчивости и критических напряжений
Если вы нагреваете трубку неравномерно, горячая сторона расширяется больше, чем холодная. Если концы закреплены (монтажным фланцем вверху и свободным наконечником внизу), более горячая часть подвергается сжатию. Критическое напряжение продольного изгиба для тонкостенной -трубы определяется выражением σ_crit=(π^2 * E * I) / (L^2 * A), где E — модуль упругости PFA (500-700 МПа при 100 градусах), I — момент инерции, L — длина нагреваемой секции, а A — площадь поперечного сечения. I=π/64 x (OD4- ID4)=0.049 x (25 4-21 4)=0.049 x (390 625-194 481)=0.049 x 196 144=9 611 мм4 для трубы с внешним диаметром 25 мм и стенкой 2 мм.=144.5 мм2. При длине более горячей секции 0,6 м (половина нагревателя) σ_crit=(π² × 600 × 9,611) / (600² × 144,5)=(9 870 × 9 611) / (360 000 × 144,5)=94.8e6 / 52,0e6=1.82 МПа. Сжимающее напряжение, вызванное тепловым расширением, равно σ_thermal=E* *ΔT, где=110 ppm/градус Для σ_thermal=σ_crit, ΔT_crit=σ_crit/(E )=1.82/(600×110e-6)=1.82/0.066=27.6 градус. Это согласуется с наблюдаемым диапазоном 25-35 градусов Цельсия.

Если вся длина нагревателя (1,2 м) составляет горячую часть, L увеличивается, σ_crit снижается до 0,45 МПа, а ΔT_crit составляет 6,8 градуса – непрактичное значение. выпучивание наиболее вероятно произойдет, если горячая зона расположена на одном конце (сверху или снизу), а не распределена равномерно. Для типичного профиля естественной конвекции с более горячей вершиной (нагревателем) длина горячей зоны часто составляет 30–50% от общей длины, что дает ΔT_crit в диапазоне 25–35 градусов.

Геометрия нагревателя Допустимый температурный градиент
Длина нагревателя (м) Внешний диаметр (мм) Стенка (мм) Длина горячей зоны (м) σ крит. (МПа) ΔT крит. (градусы) Рекомендуемое максимальное ΔT для безопасной эксплуатации 0.8 25 2.0 0.4 (верхние 50%) 4.2 64 40 градус 1.0 25 2.0 0.5 2.7 41 30 градус 1.2 25 2.0 0.6 1.8 27 20 градус 1.5 25 2.0 0.75 1.2 18 15 градус 1.2 25 1.5 0.6 1.2 18 15 градус (более слабая стенка)
1.2 32 2.5 0.6 2.5 38 25 градус (более жесткая трубка)
1.2 25 2.5 0.6 2.2 33 25 градус (более толстая стенка)
1,2 с опорой среднего-пролета 25 2.0 0.6 (две секции по 0,3 м) 7,3 каждая 110 60 градуса (опоры предотвращают коробление)
Предотвращение коробления на практике
Максимальный перепад температур по вертикали составляет 20 градусов для безопасной долгосрочной эксплуатации обогревателя PFA длиной 1,2 м. Если профиль естественной конвекции дает градиент 15 градусов C (нижний 80, верхний 95 градусов C), то обогреватель безопасен. Если градиент приближается к 25 градусам, он может прогнуться после многочисленных циклов. Если уклон достигнет 35 градусов, в течение нескольких недель вероятно появление устойчивости.

Чтобы снизить температурный градиент:

Используйте нагреватель с переменным шагом, чтобы адаптировать выделение тепла к локальным потерям тепла (больше мощности внизу, меньше мощности вверху).

Установите рециркуляционный насос для устранения расслоения за счет естественной конвекции.

Оберните нагреватель металлической втулкой или направляющим кольцом на средней-высоте (500–600 мм от фланца). Направляющее кольцо останавливает боковое смещение и увеличивает критическое напряжение продольного изгиба в 4 раза (эффективная длина уменьшена вдвое, sigma_crit увеличен в 4 раза). Направляющее кольцо не должно сильно зажиматься. Оставьте 2-3 мм места для теплового расширения.

Уменьшите плотность ватт в верхней зоне либо за счет снижения общей мощности, либо за счет увеличения площади поверхности нагревателя.

Обнаружение коробления
Выпучивание рассматривается как постоянный изгиб или волна в оболочке PFA. Первые признаки: обогреватель больше не висит вертикально, он касается стенки резервуара или другого обогревателя(ов). Вздутие происходит из-за локального перегрева в месте соприкосновения со стенками резервуара (PFA против металла). Если вы заметили коробление, немедленно отключите нагреватель. Он не распрямляется при охлаждении, PFA постоянно деформируется. Сменить обогреватель. Перед заменой уменьшите температурный градиент (измените распределение мощности или увеличьте расход).

Полевой-тест
Нагреватель из PFA длиной 1,2 м в гальванической ванне с температурой 90 градусов и ограниченной циркуляцией обеспечил градиент температуры сверху вниз 28 градусов (внизу 76 градусов, вверху 104 градуса). Через 3 месяца рабочие обнаружили, что нагреватель соприкасается со стенкой резервуара. Осмотр показал прогиб 15 мм на средней-высоте. Отопитель поменян. После установки рециркуляционного насоса уклон уменьшился до 8 градусов. Замененный нагреватель прослужил 3+ лет. Стоимость насоса (500) была меньше, чем стоимость одного сменного нагревателя (500), меньше, чем стоимость одного сменного нагревателя (800) с учетом времени простоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ МАКСИМАЛЬНЫЙ ГРАДИЕНТ 20 Градусов ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ НА 1,2 М.
Для нагревателя PFA длиной 1,2 м, внешним диаметром 25 мм и толщиной стенки 2 мм максимально допустимый температурный градиент между верхом и низом во избежание коробления составляет 20–25 градусов для безопасной непрерывной работы. Если температура превысит 35 градусов, пристегнитесь в течение нескольких недель. Критический градиент ниже для более длинных обогревателей (1,5 м: 15 градусов) и более тонких стенок (1,5 мм: 15 градусов). Чтобы избежать коробления, следите за вертикальным профилем температуры, уменьшайте градиент с помощью рециркуляции или нагревателей с регулируемым шагом и устанавливайте направляющие кольца в середине-пролета, если градиенты неизбежны. Это не прогрессирующий кризис. Это внезапная геометрическая нестабильность, которая необратимо деформирует нагреватель. Соблюдайте уклон, поддержку обогревателя или и то, и другое. Счастливый обогреватель — это прямой обогреватель. Держите это прямо. Держите это в безопасности.