Hvaða hámarks leyfilegt varmaflæði við 400 gráðu hitastig í lofti kemur í veg fyrir óhóflega oxíðslettingu og málmtap úr 316 ryðfríu stáli hitarörum eftir 10.000 klst.

The Heat Flux-Takmarkað oxunarkerfi fyrir langtíma-loftútsetningu

Fyrir 316 rafhitunarrör sem eru hjúpuð úr ryðfríu stáli sem eru starfrækt við 400 gráðu hitastig í lofti, sem er algengt fyrir iðnaðarlofthitara, ofna og leiðsluhitara, stjórnar beitt varmaflæði (W/cm2) bæði hraða oxíðvaxtar og tilhneigingu til að losna við kalk. Þó að hámarkshitastig slíðunnar sé oft helsta hönnunartakmörkunin, þá ræður hitaflæði sjálfstætt hitastiginu yfir oxíðlagið og hitaálagi sem af því leiðir sem leiðir til losunar. Oxíðið á 316 við 400 gráður er aðallega Cr₂O₃ með nokkrum Fe₂O₃ og er almennt verndandi. Hins vegar, fyrir hitaflæði yfir 6 W/cm2, framleiðir hitastigið yfir oxíðlagið (venjulega 10-50 µm þykkt) álag sem er meiri en oxíð-málmur viðloðun styrkur og leiðir til reglubundinnar losunar með auknu málmtapi. Oxíðflögnun er hverfandi undir 3 W/cm² og málmtap er það<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Hvernig hitaflæði veldur því að oxíð losnar

Þegar 316 slíður verður fyrir lofti við yfirborðshitastig upp á 400 gráður, eykst oxíðkvarðinn með hraða sem fer eftir yfirborðshita og tíma. Hins vegar veldur hitaflæðið (hraði varmaflutnings í gegnum slíðurvegginn) hitamun yfir oxíð-málmsnertingu. Ytra yfirborð oxíðlagsins er á nafnhitastigi slíðunnar (400 gráður) og snerting oxíðs-málms er aðeins kaldari vegna hitaþols oxíðsins. Stærð hallans er í réttu hlutfalli við oxíðlagið og hitaleiðni þess (~3–5 W/m·K fyrir Cr2O3). Við lágt hitaflæði (<3 W/cm^2), the temperature drop over a 20 μm oxide layer is less than 1°C and thermal strains are insignificant. At strong heat fluxes (>6-8 W/cm2), getur hitafallið verið 5-15 gráður, þannig að oxíðið er undir þrýstiálagi þegar það vex. Þegar það er kólnað (hitari slokknar) minnkar oxíðið meira en málmurinn (mismunandi varmaþenslustuðlar) sem veldur togspennu sem veldur losun.

Magngreining á varmaflæði og oxíðskekkju við 400 oC

Hringlaga oxunarprófun (alls 10.000 klukkustundir, 1 klukkustundar lotur við hitastig, 30 mínútur þvinguð loftkæling niður í 100 gráður) á 316 ryðfríu stáli slöngum við 400 gráðu hitastig slíðunnar með mismunandi hitastreymi (stýrt af mismunandi veggþykkt og innra vírhitastigi) hefur komið í ljós eftirfarandi spunahraða og málmtap.

Varmaflæði (W/cm 2 ) Oxíðþykkt eftir 10.000 klst. (μm) Brotnun byrjar (lotur til fyrstu losunar) Brotandi atburðir / 1000 lotur Samtals málmtap (μm) Eftir 10.000 klst. eftir veggþykkt (frá 1,5 mm byrjun)<2 8-12 >10.000 (engin spjöll) 0 2-5 1,495-1.498 Já 2-3 10-15 5,000-10.000<1 5-10 1,490-1,495 Yes 3-4 12-18 2,000-5,000 1-3 10-20 1,480-1,490 Acceptable 4-5 15-22 1,000-2,000 3-8 20-35 1,465-1,480 Marginal 5-6 18-25 500-1,000 8-15 35-60 1,440-1,465 Not recommended for long life
6-8 25-35 200-500 15-30 60-100 1,400-1,440 Óásættanlegt
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Áhrif slíðurþykktar á leyfilegt hitaflæði

Fyrir tiltekið afköst er hitaflæðið minna ef veggirnir eru þykkari, vegna þess að ytra yfirborðið er stærra. Fyrir tvo ofna með sama krafti hefur þykkari slíður (stærri OD) lægra hitaflæði. Taflan hér að neðan sýnir hámarks leyfilegt hitaflæði fyrir mismunandi veggþykkt fyrir 10.000 klukkustunda líf með<20 μm metal loss.

Slíður Ytri þvermál (mm) Veggþykkt (mm) Hámark. Afl fyrir 10.000 klukkustundir líf við 400 gráður (jafngildi W/cm²) Hámarks hitaflæði (W/cm2) fyrir<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm lengd 4,0 Fyrirferðarlítill hitarar með litlum-afli
10.0 1.2 70 W/cm lengd 4,5 Almennur tilgangur 10.0 1.5 85 W/cm lengd 5,0 Standard iðnaðar 12.0 1.5 100 W/cm lengd 5,5 Miðlungs afl
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Mikið afl, langt líf
14.0 2.0 150 B á cm lengd 6,5 Lengri líftími
200 W á hvern cm lengd 7.0 Hámarkslíftími (með uppfærslu álfelgur) 16.0 2.5
Hönnunarleiðbeiningar fyrir 400 gráðu lofthitara Hagnýtar

Fyrir hlífðar lofthitara úr 316 stáli sem vinna við 400 gráðu hlífðarhitastig munu eftirfarandi hitaflæðistakmarkanir leiða til endingartíma upp á 10 000 klukkustundir með ásættanlegu málmtapi.

Æskilegur endingartími (klst.) Hámarks hitaflæði (W/cm2) Málmtap (µm) Ráðlagðar slíðurstærðir 5.000<8 60-100 Standard 10 mm OD x 1.5 mm wall 10,000 <5 20-35 Larger diameter or lower wattage
20,000 <3.5 10-15 mm OD, 2.0 mm wall
40,000 <2.5 5-8 16 mm OD, 2.5 mm wall (or upgrade to 310)
Vettvangsgreining á spöngun vegna hitaflæðis

Oxíðflögnun vegna mikils hitaflæðis veldur áberandi yfirborðsrjúfingu og þynningu á 316 hitara sem vinnur 5.000-10.000 klukkustundir í lofti við 400 gráður. Oxíðið á slíðrinu er ekki samfellt lag, heldur þykkur brotinn hreistur ásamt óvarnum málmi þar sem spölun hefur nýlega átt sér stað. Slitnir hlutar geta sýnt grunnar, hringlaga dældir í málmyfirborðinu. Þvermál slíðunnar verður mæld með míkrómetra til að sýna staðbundna minnkun um 0,1 til 0,3 mm frá upprunalegu víddinni. Fyrir slíka hitara mun 30-40% minnkun á varmaflæði (með því að auka yfirborðsflatarmál eða minnka rafafl) lengja líftímann í 10.000 klukkustundir sem stefnt er að.

Ályktanir: Stilla hitaflæðismörk fyrir langa lofthitara

Fyrir 316 ryðfríu stálhjúpaða hitara í lofti við 400 gráður, leyfði hámarks hitaflæði 10.000 klukkustundir af líftíma með málmtapi upp á<20 µm is about 5 W/cm^2. Oxide spalling is common at heat fluxes > 6-8 W/cm2, and metal loss accelerates to 60-100 µm in 10,000 hours - enough to jeopardise a 1.5 mm wall in 20,000-30,000 hours. The heat flux shall not be greater than 5 W/cm2 for 10,000 hours service. The engineers selecting 316 air heaters shall determine the heat flux from the wattage and sheath surface area. For higher heat fluxes one needs larger diameter sheaths or lower wattages. The methodology given here correlates heat flux to measurable oxide spalling rates and overall metal loss, allowing buyers to specify 316 sheaths that retain their wall thickness and integrity over the design life in air heating service at 400°C.