Sự đánh đổi cơ bản{0}}trong hệ thống sưởi không khí đối lưu cưỡng bức
Bộ gia nhiệt hình ống có vây làm bằng thép không gỉ 316 được sử dụng rộng rãi trong bộ gia nhiệt ống dẫn, thiết bị xử lý không khí và lò sấy nơi các hợp chất ăn mòn trong không khí-như phun muối, axit loãng hoặc khí thải công nghiệp ẩm-đòi hỏi khả năng chống ăn mòn của molypden-thép austenit. Việc bổ sung các cánh tản nhiệt làm tăng đáng kể diện tích bề mặt truyền nhiệt, nhưng độ dày lớp vỏ bên dưới các cánh tản nhiệt đó vẫn là một biến số thiết kế quan trọng. Trong luồng không khí có vận tốc-cao (10‑25 m/s), các bức tường dày hơn mang lại khả năng chống xói mòn-ăn mòn và mỏi cơ học cao hơn do rung động{10}}gây ra bởi dòng chảy. Tuy nhiên, mỗi milimet độ dày được tăng thêm sẽ làm tăng khả năng chịu nhiệt từ dây điện trở đến gốc vây, làm giảm lượng nhiệt tổng thể và tăng nhiệt độ vỏ bọc. Phân tích này thiết lập độ dày thành tối đa cho phép đối với bộ gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 có cánh trong dịch vụ không khí cưỡng bức, trong đó việc vượt quá giới hạn nhiệt sẽ dẫn đến quá nhiệt, ăn mòn nhanh và hỏng phần đính kèm cánh tản nhiệt sớm.
Xói mòn-Ăn mòn và tính toàn vẹn cơ học trong không khí có vận tốc cao-
Khi vận tốc không khí vượt quá 10 m/s và chứa các hạt lơ lửng (bụi, tinh thể muối hoặc chất rắn trong quá trình xử lý), thép không gỉ 316 sẽ bị ăn mòn-có thể đo lường được. Lớp màng thụ động bị mài mòn liên tục và lớp kim loại bên dưới bị loại bỏ với tốc độ từ 0,02 đến 0,10 mm mỗi năm tùy thuộc vào tải trọng hạt và góc va chạm. Đối với máy sưởi dự kiến hoạt động trong 40.000 giờ (khoảng 5 năm sử dụng liên tục), thành 1,2 mm sẽ mất 0,1‑0,5 mm, có thể còn lại ít hơn 1,0 mm. Điều này thường có thể chấp nhận được đối với các hệ thống không khí có áp suất thấp. Tuy nhiên, mối đe dọa cơ học quan trọng hơn là rung động do dòng chảy gây ra. Các ống có vây tạo ra một diện tích lớn tiếp xúc với luồng không khí và ở tốc độ 15‑25 m/s, sự thoát xoáy có thể tạo ra các ứng suất xen kẽ dẫn đến nứt mỏi ở các điểm gắn vây{20}}với{21}}vỏ bọc hoặc ở các đầu cố định của ống. Tuổi thọ mỏi của ống có thành mỏng ngắn hơn đáng kể so với ống dày hơn vì biên độ ứng suất xen kẽ đối với một độ võng nhất định tỷ lệ nghịch với độ dày của thành. Đối với ống có đường kính ngoài 12 mm và nhịp không được đỡ 500 mm trong luồng không khí 20 m/s, ứng suất uốn xen kẽ được tính toán là khoảng 35 MPa đối với tường 1,2 mm và chỉ 18 MPa đối với tường 2,4 mm-giảm hệ số hai. Giới hạn độ bền của thép không gỉ 316 đã ủ là khoảng 240 MPa, do đó cả hai giá trị đều an toàn, nhưng nồng độ ứng suất tại các mối hàn vây hoặc mối nối cán có thể khuếch đại ứng suất cục bộ lên gấp 3‑5. Trong những trường hợp như vậy, một bức tường dày hơn mang lại giới hạn an toàn quan trọng chống lại sự hình thành vết nứt do mỏi. Độ dày tối đa cho phép để đảm bảo tính toàn vẹn cơ học không phải là giới hạn trên mà là giới hạn dưới-dày hơn luôn tốt hơn cho khả năng chống mỏi và chống xói mòn.
Khả năng chịu nhiệt và hạn chế quá nhiệt
Thiệt hại về nhiệt của thành dày trong máy sưởi không khí dạng vây nghiêm trọng hơn so với máy sưởi ngâm chất lỏng vì không khí có hệ số truyền nhiệt đối lưu thấp hơn nhiều (thường là 50‑200 W/m2·K so với 500‑5000 W/m2·K đối với chất lỏng). Điện trở nhiệt tổng thể bị chi phối bởi lớp ranh giới phía không khí-, nhưng điện trở vỏ bọc vẫn đáng kể. Đối với ống có vây, nhiệt phải truyền xuyên qua vỏ bọc trước khi đến đế vây. Việc tăng độ dày vỏ bọc từ 1,2 mm lên 2,4 mm sẽ tăng gấp đôi chiều dài đường dẫn. Đối với thép không gỉ 316 có độ dẫn nhiệt 16,3 W/m·K ở 100 độ, khả năng chịu nhiệt bổ sung là khoảng 0,0037 m2·K/W trên mỗi milimet độ dày. Trong không khí 15 m/s có hệ số đối lưu là 120 W/m²·K, sức cản phía không khí{18}}là 0,0083 m²·K/W. Việc thêm 1,2 mm độ dày thành sẽ tăng tổng điện trở lên gần 45%, giảm lượng nhiệt tỏa ra khoảng 30% đối với cùng nhiệt độ vỏ bọc. Quan trọng hơn, đối với đầu vào nguồn điện cố định, bức tường dày hơn buộc nhiệt độ dây điện trở tăng lên. Nhiệt độ dây tối đa cho phép đối với vật liệu cách điện oxit magie (chất điện môi bên trong) thường là 800‑850 độ. Khi dây vượt quá giới hạn này, lớp cách điện sẽ bị suy giảm và hỏng bộ sưởi sớm. Do đó, có độ dày vỏ bọc tối đa vượt quá mức nhiệt độ bên trong dây trở nên không bền vững ở mật độ công suất yêu cầu. Đối với lò sưởi bằng thép không gỉ 316 có vây điển hình có mật độ watt (dựa trên diện tích có vây) là 3‑5 W/cm² trong không khí 20 m/s ở đầu vào 50 độ, độ dày vỏ bọc tối đa cho phép để giữ dây dưới 800 độ là khoảng 2,0‑2,2 mm. Trên giá trị này, bộ sưởi phải được giảm công suất, yêu cầu bộ sưởi dài hơn hoặc lớn hơn để đạt được mức tăng nhiệt độ không khí tương tự.
Kịch bản-Hướng dẫn lựa chọn dựa trên luồng không khí tốc độ cao-
Bảng sau đây cung cấp các khuyến nghị về độ dày vỏ bọc tối đa cho phép đối với bộ gia nhiệt hình ống bằng thép không gỉ 316 trong dịch vụ không khí cưỡng bức, dựa trên tốc độ không khí, tải hạt và mật độ công suất cần thiết.
| Điều kiện hoạt động & mật độ năng lượng | Độ dày tường tối đa cho phép | Sự đánh đổi{0}}cơ khí và nhiệt |
|---|---|---|
| Không khí sạch (không có hạt), 10‑15 m/s, 4 W/cm², chế độ hoạt động không liên tục | 1,5 mm | Xói mòn không đáng kể. Căng thẳng mệt mỏi thấp. Tường mỏng tối đa hóa khả năng truyền nhiệt và giữ nhiệt độ dây ở mức dưới 800 độ. Độ dày ống vây tiêu chuẩn. |
| Phun muối hoặc không khí axit ẩm, 15‑20 m/s, 3,5 W/cm², hoạt động liên tục | 1,8‑2,0 mm | Ăn mòn-tốc độ xói mòn 0,03‑0,05 mm/năm. 2.0 mm cung cấp khả năng chống xói mòn 40.000‑ giờ đối với phần còn lại là 1,2‑2,0 mm. Nhiệt độ dây đạt tới 750‑780 độ; xác minh bằng mô phỏng nhiệt. |
| Không khí chứa nhiều hạt-(bụi, sợi), 20‑25 m/s, 3 W/cm², nguy cơ rung động cao | 2,2 mm | Tốc độ xói mòn lên tới 0,10 mm/năm. Thành dày làm giảm ứng suất mỏi xen kẽ 50% so với. 1.2 mm. Phải giảm mật độ watt để giữ nhiệt độ dây dưới 800 độ. Dự kiến lượng nhiệt tỏa ra trên mỗi ống sẽ thấp hơn 25‑35 %. |
| Very high velocity (>25 m/s) hoặc va chạm hạt liên tục | Không nên dùng cho thiết kế có vây | Vây đóng vai trò là người thu thập hạt và ăn mòn nhanh chóng. Chuyển sang lò sưởi hình ống trần có thành dày hơn (2,5‑3,0 mm) hoặc lớp bảo vệ bằng gốm. Hình học vây không phù hợp. |
| Không khí sạch, tốc độ thấp (5‑10 m/s), mật độ năng lượng bất kỳ | 1,2‑1,5 mm | Không có mối quan tâm xói mòn hoặc mệt mỏi. Tường mỏng hơn cải thiện thời gian phản hồi. Độ dày trên 1,5 mm gây lãng phí vật liệu và giảm hiệu quả mà không mang lại lợi ích gì. |
Các yếu tố thiết kế bổ sung ngoài độ dày của tường
Trong hệ thống sưởi không khí tốc độ cao, độ dày của thành tương tác mạnh mẽ với thiết kế cánh tản nhiệt, phương pháp gắn và bố cục hệ thống. Đầu tiên,phần đính kèm vây– các cánh tản nhiệt được hàn bằng đồng thau hoặc-tần số cao giúp truyền nhiệt tốt hơn so với các cánh tản nhiệt được giãn nở cơ học, cho phép vỏ bọc dày hơn một chút mà không vượt quá giới hạn nhiệt độ của dây. Thứ hai,mật độ vây– giảm bước cánh tản nhiệt (ít cánh tản nhiệt trên mỗi mét) làm giảm diện tích truyền nhiệt nhưng cũng làm giảm độ sụt áp và kích thích rung động. Mật độ vây thấp hơn cho phép vỏ bọc dày hơn ở cùng nhiệt độ dây. Thứ ba,lọc không khí đầu vào– loại bỏ các hạt có kích thước trên 10 µm giúp giảm tỷ lệ xói mòn tới 70‑90 %, cho phép sử dụng các bức tường mỏng hơn, hiệu quả về nhiệt hơn. Thứ tư,khoảng cách hỗ trợ ống– giảm nhịp không được đỡ từ 600 mm xuống 300 mm cắt dòng chảy-biên độ rung gây ra theo hệ số 8, loại bỏ ưu điểm mỏi của tường dày. Cuối cùng,độ cứng vật liệu– chỉ định thép không gỉ 316 kéo nguội (có cường độ chảy cao hơn so với ủ) cải thiện khả năng chống xói mòn mà không làm tăng độ dày.
Kết luận: Xác định độ dày tối đa cho phép đối với dịch vụ hàng không
Việc chọn độ dày vỏ bọc cho bộ gia nhiệt hình ống bằng thép không gỉ 316 trong luồng khí có vận tốc-cao đòi hỏi phải đáp ứng hai hạn chế đối lập nhau: độ bền cơ học đòi hỏi thành dày hơn để chống xói mòn và mỏi, trong khi giới hạn nhiệt áp đặt độ dày tối đa vượt quá giới hạn nhiệt độ dây bên trong vượt quá giá trị an toàn. Đối với hầu hết các ứng dụng không khí cưỡng bức công nghiệp ở tốc độ 15‑20 m/s với tải hạt nhẹ, độ dày 1,8‑2,0 mm thể hiện mức tối đa thực tế-cung cấp đủ khả năng chống xói mòn và giới hạn mỏi trong khi vẫn giữ nhiệt độ dây trong giới hạn 800 độ đối với cách điện oxit magie. Khi vận tốc không khí vượt quá 25 m/s hoặc tải trọng hạt lớn, các thiết bị gia nhiệt dạng vây thường không phù hợp bất kể độ dày của thành và các nhà thiết kế nên xem xét các thiết bị gia nhiệt dạng ống trần có lớp phủ bảo vệ hoặc vật liệu thay thế. Khi chỉ định, luôn nêu rõ tốc độ không khí, nồng độ hạt dự kiến, mật độ vây và nhiệt độ dây tối đa cho phép. Điều này biến thông số kỹ thuật về độ dày thành đơn giản thành một đánh giá toàn diện về khả năng tương thích không khí ở tốc độ cao{13}}, liên kết trực tiếp việc lựa chọn kích thước với cả độ tin cậy cơ học và an toàn về nhiệt.
