เหตุใดปลอกสแตนเลส 316 ที่มีความหนาของผนัง 1.8 มิลลิเมตรจึงมีอายุการใช้งานความล้าจากความร้อนสั้นกว่าผนัง 1.2 มิลลิเมตรในวงจรบริการทำความร้อนด้วยอากาศ 250 องศาเซลเซียส

สำหรับวิศวกรที่พัฒนาเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มไฟฟ้าสำหรับเตาอบอุตสาหกรรม เครื่องทำความร้อนแบบท่ออากาศ และห้องวงจรความร้อน การเลือกความหนาของผนังปลอกเป็นข้อแลกเปลี่ยน-ระหว่างความทนทานเชิงกลและการต้านทานความล้าจากความร้อน น่าแปลกที่การไล่ระดับอุณหภูมิข้ามผนังทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนที่มากขึ้น และด้วยเหตุนี้ ผนังที่หนากว่าจึงมักจะล้มเหลวเร็วกว่าในการให้บริการทำความร้อนด้วยอากาศแบบวนรอบ เมื่อทำความร้อนหรือทำความเย็นเปลือกที่มีผนังหนาในอากาศ พื้นผิวด้านนอกจะร้อนกว่าพื้นผิวด้านในอย่างมากในระหว่างการทำความร้อน และเย็นลงมากในระหว่างการทำความเย็น เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในอากาศต่ำ. 7. การขยายตัวที่แตกต่างกันนี้ทำให้เกิดความเครียดพลาสติกแบบวงจรซึ่งส่งผลให้เกิดการแตกร้าวเมื่อยล้า เอกสารนี้จะประเมินสาเหตุของความล้มเหลวของปลอก 316 ขนาด 1.8 มม. เร็วกว่าปลอกขนาด 1.2 มม. ในการทำงานทางอากาศแบบวงจร 250C ข้อมูลการทดลองและผลการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์จะได้รับ

พัฒนาการไล่ระดับความร้อนในเปลือกบางและหนาในอากาศ
สำหรับบริการทำความร้อนด้วยอากาศ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวเปลือกและอากาศโดยรอบโดยปกติจะอยู่ที่ 20–100 W/m²·K สำหรับการพาความร้อนแบบบังคับ ในขณะที่สำหรับการแช่น้ำจะอยู่ที่ 1,000–10,000 W/m²·K ค่าต่ำหมายความว่าอุณหภูมิของพื้นผิวเปลือกต้องเกินอุณหภูมิของอากาศจำนวนมากอย่างมีนัยสำคัญเพื่อที่จะถ่ายเทความร้อน ที่ความหนาแน่น 10 วัตต์ W/cm 2 ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของอากาศ 50 W/m 2 .K ค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ จากพื้นผิวเปลือกถึงอากาศรวม คือ 200 o C อุณหภูมิพื้นผิวของเปลือกต้องเป็น 450 องศา ที่อุณหภูมิอากาศรวม 250 องศา อุณหภูมิที่ตกคร่อมผนังเปลือกคำนวณโดยใช้กฎฟูริเยร์: ΔTwall=q*t/k โดยที่ q คือฟลักซ์ความร้อน (100,000 W/m2) t คือความหนาของผนัง และ k คือค่าการนำความร้อน 316 (15 W/mK) สำหรับความหนาของผนัง 1.2 มม. ΔT_wall=100,000 × 0.0012 / 15=8 องศา อุณหภูมิพื้นผิวด้านในอยู่ที่ 458 องศา สำหรับผนัง 1.8 มม. : ΔTwall=100,000 × 0.0018 / 15=12 องศา อุณหภูมิภายใน 462 องศา ไม่ว่าในสถานการณ์ใดก็ตาม ความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วทั้งผนังจะเล็กน้อย ในระหว่างการทำความร้อนชั่วคราวจากสภาวะแวดล้อมไปสู่สภาวะคงที่ พื้นผิวด้านนอกจะร้อนเร็วกว่าพื้นผิวด้านใน เมื่อใช้กำลังไฟฟ้า ภายใน 10 วินาที พื้นผิวด้านนอกของปลอก 1.8 มม. สามารถทำมุมได้ 300 องศา โดยที่พื้นผิวด้านในทำมุมเพียง 50 องศา ทำให้ผนังชั่วคราว ΔT_wall เป็น 250 องศา สำหรับปลอกขนาด 1.2 มม. ค่าชั่วคราวที่เหมือนกันจะให้ ΔT_wall อยู่ที่ ~170 องศา ความเค้นจากความร้อนชั่วคราวเป็นสัดส่วนกับ \\Delta T_{ผนัง} ดังนั้นปลอก 1.8 มม. จึงมีความเค้นจากความร้อนชั่วคราวสูงกว่า 47%

การสะสมความเครียดของพลาสติกแบบวนรอบและความเสียหายจากความเหนื่อยล้า
หากความเครียดจากความร้อนชั่วคราวเกินค่าความแรงของผลผลิตที่ 316 ที่อุณหภูมิการทำงาน-ประมาณ 200 MPa ที่ 300 C- วัสดุจะเกิดเป็นพลาสติก แต่ละรอบการให้ความร้อนจะกระตุ้นให้เกิดความเครียดพลาสติกเพิ่มขึ้นเล็กน้อยบนพื้นผิวด้านนอกในกระบวนการทำความร้อนและบนพื้นผิวด้านในในกระบวนการทำความเย็น สายพันธุ์พลาสติกนี้พัฒนาไปหลายพันรอบและทำให้เกิดรอยแตกเมื่อยล้าในที่สุด ความล้าจากความร้อนรอบต่ำ-ควบคุมโดยสูตรโลงศพ-แมนสัน ( ) N f=Δε p C 1 (1) โดยที่ N f คือจำนวนรอบจนกระทั่งเกิดความล้มเหลว Δε p คือช่วงความเครียดของพลาสติกต่อรอบ และ C และเป็นค่าคงที่ของวัสดุ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสายพันธุ์พลาสติกจะช่วยลดรอบการเสียหายลงได้อย่างมาก การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดของเปลือก 316 เปลือกในการให้ความร้อนด้วยอากาศแบบวงจรจากอุณหภูมิรวม 20 องศาถึง 250 องศาที่ 10 วัตต์/ซม.2 คาดการณ์ช่วงของสายพันธุ์พลาสติกต่อไปนี้ สำหรับความหนาของผนัง 1.2 มม. Δε_p=0.0012 (0.12%) และวงจรชีวิตที่คาดหวังคือประมาณ 25,000 สำหรับความหนาของผนัง 1.8 มม. Δε_p=0.0028 (0.28%) และวงจรชีวิตที่คาดการณ์ไว้ถึงความล้มเหลวประมาณ 8,000 สำหรับความหนาของผนัง 2.5 มม. ค่า Δε_p คือ 0.0055 (0.55%) โดยมีรอบประมาณ 2,500 รอบจนกระทั่งเกิดความล้มเหลว การตรวจสอบความถูกต้องเชิงทดลองบนเครื่องทำความร้อนทดสอบที่หมุนเวียนระหว่างอุณหภูมิอากาศ 20C ถึง 250C ที่ 10 วัตต์/ซม.^2 เผยรอบเฉลี่ยจนถึงความล้มเหลวที่ 22,000 สำหรับ 1.2 มม., 7,500 สำหรับ 1.8 มม. และ 2,200 สำหรับ 2.5 มม. - เป็นข้อตกลงที่ดีเยี่ยมกับการคาดการณ์ แม้จะมีวัสดุเพิ่มขึ้น 50% แต่ปลอกขนาด 1.8 มม. กลับล้มเหลวที่ ~1/3 ของรอบของปลอกขนาด 1.2 มม.

ความหนาของผนังที่แนะนำสำหรับบริการทำความร้อนด้วยอากาศแบบวงจร
ตารางต่อไปนี้ระบุความหนาของผนังเปลือก 316 ที่แนะนำสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไฟฟ้าในหน้าที่ให้ความร้อนด้วยอากาศแบบวงจร ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอากาศรวมสูงสุด ความหนาแน่นของวัตต์ และจำนวนรอบความร้อนที่คาดหวังตลอดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน

อุณหภูมิอากาศเทกองสูงสุด ความหนาแน่นวัตต์ วงจรความร้อนที่คาดหวังตลอดอายุการใช้งาน ความหนาของผนังสูงสุดที่แนะนำ 316 รอบที่คาดการณ์ว่าจะล้มเหลวที่ความหนาที่แนะนำ โหมดความล้มเหลว
150 องศา 8 – 12 วัตต์/ซม.² < 5,000 2.0 มม. 12,000 การระบายความร้อนหลังจาก 5,000+ รอบ
150 องศา 8 – 12 วัตต์/ซม.² 5,000 – 15,000 1.6 มม. 18,000 ขอบความล้าจากความร้อน
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 มม. 25,000 ปลอดภัยสำหรับ 15,000+ รอบ
200 องศา 6 – 10 วัตต์/ซม.² < 5,000 1.6 มม. 15,000 ยอมรับได้สำหรับบริการรอบต่ำ-
200 องศา 6 – 10 วัตต์/ซม.² 5,000 – 10,000 1.2 มม. 22,000 แนะนำสำหรับรอบกลาง
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 มม. 30,000 ผนังบางสำหรับบริการรอบสูง-
250 องศา 5 – 8 W/cm2 น้อยกว่า 2,000 1.4 มม. 14,000 รอบต่ำ-ที่ยอมรับได้ 250 องศา 5 – 8 W/ซม.2 2,000 – 5,000 1.2 มม. 22,000 คำแนะนำมาตรฐาน 250 องศา 5 – 8 W/cm2 มากกว่า 5,000 1.0 มม. 28,000 ผนังบางที่ต้องการสำหรับรอบสูง- 300 องศา 4 – 6 วัตต์/ซม.2 น้อยกว่า 1,000 1.2 มม. 18,000 ขอบ; พิจารณาอัพเกรดอัลลอยด์ 300 องศา 4 – 6 W/cm2 มากกว่า 1,000 ไม่แนะนำ ต่ำกว่า 10,000 ใช้ Incoloy 800H สำหรับบริการทางอากาศ
สำหรับการทำความร้อนด้วยอากาศแบบวนรอบที่สูงกว่า 250C อุณหภูมิรวม เหล็กกล้าไร้สนิม 316 จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยโดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนัง ความเครียดจากความร้อนชั่วคราวสูงและการเกิดออกซิเดชันอย่างรวดเร็วทำให้อายุความเหนื่อยล้าสั้นลงอย่างมาก ในกรณีนี้วิศวกรควรระบุ Incoloy 800H วัสดุนี้มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า (ประมาณ 25 W/m·K ที่ 300 องศา ) และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่า (14 × 10⁻⁶ / องศา เทียบกับ 17 × 10⁻⁶ / องศา สำหรับ 316) ซึ่งจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนได้ประมาณ 30% สำหรับความหนาของผนังเท่ากัน

การเปลี่ยนแปลงการออกแบบการยืดอายุความเหนื่อยล้าจากความร้อน
หากจำเป็นต้องใช้ปลอก 316 ที่มีผนังหนา-เกิน 1.6 มม. สำหรับการทำความร้อนด้วยอากาศแบบวนรอบ เนื่องจากข้อจำกัดทางกลไกหรือการกัดกร่อน การปรับเปลี่ยนการออกแบบสามประการสามารถยืดอายุความล้าจากความร้อนได้ ประการแรกคือการชะลออัตราการทำความร้อนและความเย็นลง เครื่องทำความร้อนที่ใช้เวลา 60 วินาทีเพื่อให้ได้อุณหภูมิเต็มแทนที่จะเป็น 10 วินาทีจะมีการไล่ระดับอุณหภูมิชั่วคราวที่ต่ำกว่าอย่างมาก อัตราการลาดที่ 5 องศา /วินาที ทำให้ค่า ΔT_wall ต่ำกว่า ~40% เมื่อเทียบกับความล้าจากความร้อนประมาณสองเท่า การเปลี่ยนแปลงประการที่สองคือการทำงานที่อุณหภูมิสแตนด์บายขั้นต่ำ แทนที่จะปล่อยให้ระบายความร้อนเต็มที่สู่บรรยากาศโดยรอบ สำหรับการหมุนเวียนเครื่องทำความร้อนระหว่าง 150 องศาถึง 250 องศา แทนที่จะเป็น 20 องศาถึง 250 องศา ผนัง ΔT_wall จะลดลง 70% ซึ่งจะทำให้อายุความล้าเพิ่มขึ้น 5 ถึง 10 เท่า การเปลี่ยนแปลงประการที่สามคือการเรียกร้องให้มีการบรรเทาความเครียดหลังหัก- การอบอ่อนจะบรรเทาความเค้นตกค้างจากแรงอัดที่เป็นประโยชน์ที่พื้นผิวด้านนอก แต่จะบรรเทาความเค้นตกค้างในแรงดึงที่พื้นผิวด้านใน ซึ่งสามารถส่งเสริมให้เกิดการแตกหักได้ อายุการใช้งานความล้าจากความร้อนของปลอกหุ้มอบอ่อนขนาด 1.8 มม. นั้นสูงกว่าอายุของปลอกหุ้มขนาด 1.8 มม. ประมาณ 20 – 30% วิธีที่ดีที่สุดและง่ายที่สุดในการยืดอายุการใช้งานความล้าจากความร้อนสำหรับการใช้งานทำความร้อนด้วยอากาศแบบวงจรส่วนใหญ่คือการใช้ปลอก 316 ที่ความหนา 1.2 มม. หรือทินเนอร์ ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของผนังหนา 1.2 มม. ดีกว่า และความแข็งแรงเชิงกลเพียงพอสำหรับระบบอากาศแรงดันต่ำ วิศวกรที่ร้องขอผนังที่ใหญ่กว่าเพื่อ "ความทนทาน" ในบริการทำความร้อนด้วยอากาศ บังเอิญเลือกระบบที่จะพังเร็วกว่านี้ เพื่อให้ได้ข้อมูลจำเพาะที่ถูกต้อง คุณต้องเข้าใจว่าผนังที่บางกว่านั้นแข็งแกร่งไม่น้อยในการหมุนเวียนความร้อน เมื่อส่งข้อกำหนดไปยังผู้ผลิตเครื่องทำความร้อน ให้ระบุจำนวนรอบความร้อนที่คาดหวังและอัตราความเร็วที่ต้องการเสมอ ผู้ผลิตเครื่องทำความร้อนอากาศแบบไซคลิกโดยผู้เชี่ยวชาญจะกำหนดความหนาของผนังให้เหมาะสมกับปัจจัยเหล่านี้ ไม่ใช่สำหรับกฎความแข็งแรงเชิงกลทั่วไป