ค่าฟลักซ์ความร้อนที่อนุญาตสูงสุดที่อุณหภูมิเปลือก 400 องศาในอากาศจะป้องกันการหลุดร่อนของออกไซด์ที่มากเกินไปและการสูญเสียโลหะจากท่อฮีตเตอร์สแตนเลส 316 หลังจากผ่านไป 10,000 ชั่วโมง

ฟลักซ์ความร้อน-ระบบออกซิเดชันที่จำกัดสำหรับ-การสัมผัสอากาศในระยะยาว

สำหรับท่อความร้อนไฟฟ้าหุ้มสแตนเลส 316 ที่ทำงานที่อุณหภูมิเปลือก 400 องศาในอากาศ ซึ่งเป็นสถานการณ์ทั่วไปสำหรับเครื่องทำความร้อนอากาศอุตสาหกรรม เตาอบ และเครื่องทำความร้อนแบบท่อ ฟลักซ์ความร้อนที่ใช้ (W/cm2) จะควบคุมทั้งความเร็วของการเติบโตของออกไซด์และแนวโน้มของการหลุดร่อนของตะกรัน แม้ว่าอุณหภูมิเปลือกสูงสุดมักเป็นข้อจำกัดการออกแบบที่สำคัญ ฟลักซ์ความร้อนจะกำหนดการไล่ระดับความร้อนข้ามชั้นออกไซด์อย่างเป็นอิสระ และส่งผลให้เกิดความเครียดจากความร้อนซึ่งนำไปสู่การหลุดร่อน ออกไซด์บน 316 ที่ 400 องศา ส่วนใหญ่เป็น Cr₂O₃ โดยมี Fe₂O₃ อยู่บ้าง และโดยทั่วไปมีการป้องกัน อย่างไรก็ตาม สำหรับฟลักซ์ความร้อนที่สูงกว่า 6 วัตต์/ซม.2 การไล่ระดับของอุณหภูมิข้ามชั้นออกไซด์ (โดยปกติจะมีความหนา 10-50 µm) ทำให้เกิดความเครียดมากกว่าความแข็งแรงในการยึดเกาะของโลหะออกไซด์และโลหะ และส่งผลให้เกิดการหลุดร่อนเป็นช่วงๆ โดยมีการสูญเสียโลหะเพิ่มขึ้น การหลุดร่อนของออกไซด์มีค่าต่ำกว่า 3 วัตต์/ซม.² เพียงเล็กน้อย และสูญเสียโลหะ<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

ฟลักซ์ความร้อนทำให้ออกไซด์เกิดการกระเด็นได้อย่างไร

เมื่อเปลือก 316 สัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมิพื้นผิว 400 องศา สเกลออกไซด์จะเพิ่มขึ้นในอัตราที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพื้นผิวและเวลา อย่างไรก็ตาม ฟลักซ์ความร้อน (อัตราการส่งผ่านความร้อนผ่านผนังเปลือก) ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิบนผิวสัมผัสของโลหะออกไซด์- พื้นผิวด้านนอกของชั้นออกไซด์อยู่ที่อุณหภูมิเปลือกที่กำหนด (400 องศา ) และหน้าสัมผัสโลหะออกไซด์-จะเย็นลงเล็กน้อยเนื่องจากความต้านทานความร้อนของออกไซด์ ขนาดเกรเดียนต์เป็นสัดส่วนกับชั้นออกไซด์และค่าการนำความร้อน (~3–5 W/m·K สำหรับ Cr2O3) ที่ฟลักซ์ความร้อนต่ำ (<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) อุณหภูมิจะลดลงได้ 5-15 องศา ซึ่งจะทำให้ออกไซด์อยู่ภายใต้ความเค้นอัดขณะที่มันโตขึ้น เมื่อเย็นลง (ปิดเครื่องทำความร้อน) ออกไซด์จะหดตัวมากกว่าโลหะ (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน) ทำให้เกิดความเครียดแรงดึงที่ทำให้เกิดการหลุดร่อน

การหาปริมาณฟลักซ์ความร้อนและการหลุดออกของออกไซด์ที่ 400 oC

การทดสอบออกซิเดชันแบบวงจร (รวม 10,000 ชั่วโมง รอบ 1 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 30 นาที บังคับให้อากาศเย็นถึง 100 องศา) ของท่อสแตนเลส 316 ที่อุณหภูมิปลอก 400 องศา โดยมีฟลักซ์ความร้อนที่แตกต่างกัน (ควบคุมโดยความหนาของผนังและอุณหภูมิลวดภายในที่แตกต่างกัน) ได้กำหนดอัตราการหลุดร่อนและการสูญเสียโลหะดังต่อไปนี้

ฟลักซ์ความร้อน (W/ซม. 2 ) ความหนาของออกไซด์หลังจาก 10,000 ชั่วโมง (ไมโครเมตร) การเกิดการแตกเป็นเสี่ยง (รอบถึงการหลุดร่อนครั้งแรก) เหตุการณ์การแตกเป็นเสี่ยง / 1,000 รอบ การสูญเสียโลหะทั้งหมด (ไมโครเมตร) หลังจาก 10,000 ชั่วโมง ความหนาของผนังที่เหลืออยู่ (จากจุดเริ่มต้น 1.5 มม., ไมโครเมตร) แนะนำสำหรับการบริการ 10,000 ชั่วโมง<2 8-12 >10,000 (ไม่มีการสแปล) 0 2-5 1,495-1,498 ใช่ 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 ไม่สามารถยอมรับได้
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
อิทธิพลของความหนาของเปลือกต่อฟลักซ์ความร้อนที่อนุญาต

สำหรับกำลังไฟฟ้าที่กำหนด ฟลักซ์ความร้อนจะลดลงหากผนังหนาขึ้น เนื่องจากพื้นที่ผิวด้านนอกมีขนาดใหญ่ขึ้น สำหรับเครื่องทำความร้อนสองตัวที่มีกำลังเท่ากัน ปลอกที่หนากว่า (OD ที่ใหญ่กว่า) จะมีฟลักซ์ความร้อนต่ำกว่า ตารางด้านล่างแสดงฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่อนุญาตสำหรับความหนาของผนังที่แตกต่างกันสำหรับอายุการใช้งาน 10,000 ชั่วโมงด้วย<20 μm metal loss.

เปลือก เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (มม.) ความหนาของผนัง (มม.) สูงสุด วัตต์สำหรับอายุการใช้งาน 10,000 ชั่วโมงที่ 400 องศา (เทียบเท่า W/cm²) ฟลักซ์ความร้อนสูงสุด (W/cm2) สำหรับ<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 วัตต์/ซม. ความยาว 4.0 เครื่องทำความร้อนขนาดกะทัดรัดและใช้พลังงานต่ำ-
10.0 1.2 70 W/ซม. ความยาว 4.5 วัตถุประสงค์ทั่วไป 10.0 1.5 85 W/ซม. ความยาว 5.0 มาตรฐานอุตสาหกรรม 12.0 1.5 100 W/ซม. ความยาว 5.5 กำลังไฟปานกลาง
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 กำลังสูง อายุการใช้งานยาวนาน
14.0 2.0 150 วัตต์ต่อซม. ยาว 6.5 อายุการใช้งานยาวนานขึ้น
200 W ต่อ ซม. ความยาว 7.0 อายุการใช้งานสูงสุด (พร้อมการอัพเกรดอัลลอยด์) 16.0 2.5
แนวทางการออกแบบเครื่องทำความร้อนอากาศ 400 องศาที่ใช้งานได้จริง

สำหรับเครื่องทำความร้อนอากาศแบบมีปลอกที่ทำจากเหล็ก 316 ที่ทำงานที่อุณหภูมิปลอก 400 องศา ข้อจำกัดด้านฟลักซ์ความร้อนต่อไปนี้จะส่งผลให้มีอายุการใช้งาน 10 000 ชั่วโมง โดยมีการสูญเสียโลหะที่ยอมรับได้

อายุการใช้งานที่ต้องการ (ชั่วโมง) ฟลักซ์ความร้อนสูงสุด (W/cm2) การสูญเสียโลหะ (µm) ขนาดปลอกที่แนะนำ 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)
การวินิจฉัยภาคสนามของการหลุดร่อนเนื่องจากฟลักซ์ความร้อน

การหลุดร่อนของออกไซด์เนื่องจากฟลักซ์ความร้อนสูงทำให้พื้นผิวหยาบและทำให้บางลงอย่างเห็นได้ชัด เครื่องทำความร้อน 316 ที่ทำงาน 5,000-10,000 ชั่วโมงในอากาศที่ 400 องศา ออกไซด์บนฝักไม่ใช่ชั้นต่อเนื่องกัน แต่มีสะเก็ดแตกหนากระจายสลับกับโลหะที่โผล่ออกมา ซึ่งเพิ่งเกิดการหลุดร่อน ส่วนที่หลุดออกอาจแสดงรอยเว้าเป็นวงกลมตื้นๆ ในพื้นผิวโลหะ เส้นผ่านศูนย์กลางของปลอกจะถูกวัดด้วยไมโครเมตรเพื่อแสดงการลดลงเฉพาะที่ 0.1 ถึง 0.3 มม. จากขนาดดั้งเดิม สำหรับเครื่องทำความร้อนดังกล่าว การลดการไหลของความร้อนลง 30-40% (โดยการเพิ่มพื้นที่ผิวหรือลดกำลังไฟ) จะช่วยยืดอายุการใช้งานได้ถึง 10,000 ชั่วโมงตามเป้าหมาย

สรุป: การตั้งค่าขีดจำกัดฟลักซ์ความร้อนสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบอากาศยาว

สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบหุ้มสแตนเลส 316 ในการทำงานทางอากาศที่ 400 องศา ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่อนุญาตให้มีอายุการใช้งาน 10,000 ชั่วโมง โดยมีการสูญเสียโลหะ<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.