Nhiệt độ bề mặt tối đa cho phép của vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 là bao nhiêu trước khi tăng tỷ lệ đóng cặn làm giảm hiệu suất truyền nhiệt trong lò sưởi ngâm điện?

Các kỹ sư quy trình chạy máy sưởi ngâm điện trong các ứng dụng chất lỏng ở nhiệt độ cao như hệ thống dầu truyền nhiệt, vòng nước nóng có áp suất và một số lò phản ứng hóa học hiếm khi kiểm tra trực tiếp nhiệt độ bề mặt bên ngoài của vỏ thép không gỉ 316. Đúng hơn, việc điều khiển phụ thuộc vào nhiệt độ khối chất lỏng và công suất áp dụng. Cách tiếp cận gián tiếp này che giấu một cơ chế hư hỏng cơ bản, tạo ra các vảy oxit bám dính và cặn bẩn trên bề mặt vỏ bọc làm tăng dần điện trở nhiệt và cuối cùng gây ra hiện tượng quá nhiệt của dây điện trở bên trong. Trên thép không gỉ 316, tốc độ đóng cặn không cố định mà tăng theo cấp số nhân trên nhiệt độ bề mặt ngưỡng. Bài viết này mô tả nhiệt độ bề mặt vỏ bọc tối đa có thể thực hiện được là 316 trong một số chất lỏng, định lượng mức phạt nhiệt của việc chia tỷ lệ và đưa ra khung dự đoán để chọn độ dày thành và mật độ watt để duy trì dưới ngưỡng tỷ lệ.

Sự phụ thuộc nhiệt độ và cơ chế chia tỷ lệ trên thép không gỉ 316
Bề mặt của vỏ thép không gỉ 316 tiếp xúc với chất lỏng trong quá trình bao gồm nước, muối hòa tan, hợp chất hữu cơ hoặc oxy sẽ thay đổi về mặt hóa học và vật lý. Trong dung dịch nước ở nhiệt độ trên 60 độ, cơ chế chính là sự hình thành cặn canxi cacbonat, canxi sunfat và silic. Những khoáng chất này có độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng, do đó chúng có xu hướng lắng đọng tốt hơn trên các bề mặt bị nung nóng. Tốc độ lắng cặn tăng gấp đôi khi nhiệt độ bề mặt vỏ bọc tăng gấp đôi so với nhiệt độ khối chất lỏng. Các sản phẩm phân hủy do nhiệt, chẳng hạn như cặn cacbon hóa,-sản phẩm trùng hợp và màng giống như vecni-, được hình thành trên bề mặt vỏ bọc trong dầu truyền nhiệt{10}}và chất lỏng hữu cơ. Những phản ứng phân hủy này tuân theo mối quan hệ Arrhenius và nhiệt độ bề mặt tăng 25 độ thường gây ra tốc độ sản xuất cặn cacbon tăng gấp ba lần. Ngay cả trong nước khử khoáng sạch, vỏ bọc 316 cũng bị oxy hóa chậm. Ở nhiệt độ dưới 120 độ, lớp oxit crom thụ động mỏng và có tính bảo vệ, đồng thời cung cấp khả năng chịu nhiệt không đáng kể. Ở nhiệt độ trên 150 độ, tốc độ hình thành oxit tăng lên và tạo thành lớp oxit hỗn hợp sắt -crom{20}}niken dày hơn, sẫm màu hơn. Độ dẫn nhiệt của thang oxit kim loại này chỉ từ 2 đến 5 W/m. K chỉ bằng khoảng một phần tư đến một phần ba so với thép không gỉ 316 cơ bản. Khả năng chịu nhiệt được tăng lên khoảng 0,3-0,4 mm độ dày thành vỏ bọc do lớp oxit 0,1 mm trên vỏ bọc 1,5 mm.

Ngưỡng định lượng cho sự thoát nhiệt-do quy mô
Vấn đề với việc chia tỷ lệ bề mặt là nó có khả năng tự gia cố. Nhiệt độ bề mặt của vỏ bọc 316 sạch ở mức 10 W/cm2 trong nước 90 độ cao hơn khối chất lỏng khoảng 15–20 độ. Các cặn cặn tích tụ và khả năng chịu nhiệt tăng thêm đòi hỏi nhiệt độ bề mặt vỏ bọc cao hơn để cung cấp cùng một dòng nhiệt. Nhiệt độ bề mặt cao hơn giúp tăng cường khả năng mở rộng quy mô, tạo ra vòng phản hồi tích cực. Dây điện trở bên trong trở nên quá nóng và vượt quá giới hạn an toàn khoảng 800 độ và cuối cùng xảy ra hiện tượng oxy hóa dây hoặc đánh thủng lớp cách điện MgO. Các thử nghiệm tắc nghẽn có kiểm soát đưa ra các ngưỡng dữ liệu thử nghiệm được xác định trước. Đối với vỏ bọc 316, trong nước cứng (tương đương 200 ppm CaCO₃), nhiệt độ bề mặt dưới 110 độ tạo ra tỷ lệ co giãn dưới 0,01 mm mỗi tháng-không đáng kể trong thời gian sử dụng 5{18}}năm. Trong khoảng từ 110 độ đến 130 độ, tốc độ co giãn tăng lên 0,03–0,08 mm mỗi tháng, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất có thể phát hiện được sau một đến hai năm. Tốc độ co giãn trên 0,15 mm/tháng ở nhiệt độ trên 130 độ. Điều này dẫn đến mất khả năng truyền nhiệt lớn và có khả năng quá nhiệt trong 6-12 tháng. Nhiệt độ bề mặt tới hạn của dầu truyền nhiệt là một hàm số của đặc tính hóa học của dầu. Dầu khoáng thường chịu được nhiệt độ bề mặt vỏ bọc lên tới 160 độ mà không cần cacbon hóa nhanh. Dầu thơm tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ 180-200 độ. Trên những giới hạn này, tốc độ lắng đọng carbon tăng lên đáng kể, tạo ra các lớp cách điện có thể dẫn đến các điểm nóng cục bộ và nứt dầu.

Độ dày của tường ảnh hưởng đến rủi ro của quy mô như thế nào
Độ dày của thành vỏ bọc là yếu tố gián tiếp quan trọng gây ra nguy cơ đóng cặn. Điều này được thấy trong các vật phẩm khác trong đó vỏ bọc 316 dày hơn có khả năng chịu nhiệt cao hơn và do đó đối với mật độ watt nhất định, nhiệt độ bề mặt bên ngoài sẽ cao hơn so với vỏ bọc mỏng hơn. Nhiệt độ bề mặt ngày càng tăng này sẽ di chuyển bộ gia nhiệt tới hoặc vượt qua ngưỡng tỷ lệ. Lấy hai lò sưởi giống hệt nhau ở 12 W/cm^2 trong nước cứng 95 C. Vỏ bọc 1,0 mm đạt đến nhiệt độ bề mặt bên ngoài ~112 độ -ngay trên giới hạn 110 độ để co giãn chậm. Trong cùng điều kiện, vỏ bọc 2,0 mm đạt được nhiệt độ bề mặt bên ngoài khoảng 128 độ, ở chế độ co giãn vừa phải. Do đó, lớp vỏ dày hơn, đồng thời mất nhiều vật liệu hơn, sẽ bong tróc nhanh hơn. Sau hơn hai năm sử dụng liên tục, lớp vỏ 1,0 mm có thể thu được lớp cặn 0,2 mm dẫn đến khả năng chịu nhiệt hiệu quả tăng 10–15 %. Vỏ bọc 2,0 mm có thể có thang đo 0,8{26}}1,0 mm, làm tăng điện trở hiệu dụng lên 40-60% và có thể gây thoát nhiệt. Kết quả bất ngờ này cho thấy rằng đối với chất lỏng dễ bị đóng cặn, lớp vỏ mỏng hơn thực tế có thể có tuổi thọ sử dụng lâu hơn vì nó giữ nhiệt độ bề mặt dưới nhiệt độ đóng cặn tới hạn, mặc dù thành mỏng hơn có khả năng chịu ăn mòn ít hơn.

Nhiệt độ bề mặt tối đa được khuyến nghị của vỏ bọc theo loại chất lỏng
Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc liên tục tối đa đối với bộ gia nhiệt ngâm bằng thép không gỉ 316 trong chất lỏng xử lý thông thường được đưa ra trong bảng sau. Các giá trị này dựa trên hoàn cảnh ban đầu sạch sẽ và được thiết kế để hoạt động ở tốc độ mở rộng sao cho hiệu suất của bộ sưởi không bị suy giảm quá 10% trong thời gian vận hành 2 năm thông thường. Nhiệt độ bề mặt thực tế sau đó được xác định từ nhiệt độ khối chất lỏng cộng với độ tăng nhiệt độ trên thành vỏ bọc.

Quy trình tối đa Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc chất lỏng 316 Mật độ watt tối đa Vỏ bọc 1,0 mm (Số lượng lớn 80 độ) Mật độ watt tối đa tương đương cho Vỏ bọc 1,6 mm (Số lượng lớn 80 độ) Cơ chế phân hủy hoặc suy thoái chiếm ưu thế
Nước mềm hoặc nước khử khoáng (tiềm năng đóng cặn thấp) 140 độ 22 W/cm2 14 W/cm2 Phát triển oxit kim loại, nhỏ dưới 140 độ
Nước cứng (độ cứng 100-200 ppm) 110 độ 12 W/cm² 7 W/cm² Kết tủa canxi cacbonat
Very hard water (>Độ cứng 200 ppm) 95 độ 6 W/cm2 4 W/cm2 Tỉ lệ cặn nhanh bằng cacbonat và sunfat
Dầu truyền nhiệt khoáng-(ISO VG 32–68) 160 độ 28 W/cm2 18 W/cm2 Suy thoái nhiệt và cacbon hóa
Dầu truyền nhiệt thơm tổng hợp 200 độ 38 W/cm2 24 W/cm2 Trùng hợp và luyện cốc
Pha loãng dung dịch xút (NaOH 5–10%) 120 độ 15 W/cm² 9 W/cm² Phát triển cặn oxit sắt, ăn mòn
Dung dịch axit loãng không chứa clorua (pH 3-5) 130 độ 18 W/cm² 11 W/cm² Kết tủa muối silic và kim loại
Nước muối chế biến thực phẩm (NaCl bão hòa) 90 độ 5 W/cm2 3 W/cm2Muối kết tinh và dính
Những giá trị này là giới hạn cho hoạt động liên tục. Nếu chạy không liên tục, các bề mặt có thể được chạy ở nhiệt độ cao hơn một chút vì thời gian ở nhiệt độ này không đủ dài để hình thành nhiều cặn. Một lò sưởi được định mức hoạt động tám giờ một ngày có thể chịu được nhiệt độ bề mặt vượt quá giới hạn liên tục từ 10-15C, với tỷ lệ tương đương tích lũy theo thời gian theo lịch.

Các phương pháp thiết kế để duy trì nhiệt độ bề mặt vỏ bọc trong giới hạn tỷ lệ
Khi nhu cầu của quy trình yêu cầu nhiệt độ chất lỏng lớn hoặc mật độ watt có thể khiến bề mặt vỏ bọc 316 vượt quá ngưỡng tỷ lệ, bốn điều chỉnh thiết kế sẽ có sẵn để khôi phục chức năng có thể chấp nhận được. Cách chính và trực tiếp là tăng diện tích bề mặt được làm nóng. Vỏ bọc có đường kính dài hơn hoặc rộng hơn sẽ làm giảm mật độ watt trong tổng công suất nhất định và điều đó ngay lập tức làm giảm nhiệt độ bề mặt. Việc tăng gấp đôi chiều dài chìm sẽ giảm một nửa mật độ watt và giảm mức tăng nhiệt độ bề mặt trên chất lỏng khối khoảng 40{11}}50 %. Kỹ thuật thứ hai là tăng vận tốc chất lỏng qua bộ gia nhiệt. Dòng chất lỏng sử dụng bơm tuần hoàn hoặc máy khuấy có thể làm giảm 50-70% điện trở của lớp ranh giới chất lỏng, giúp giảm nhiệt độ bề mặt vỏ bọc 10-25 độ đối với cùng mật độ watt. Kỹ thuật thứ ba được thể hiện trong các quy định làm sạch định kỳ. Việc lắp đặt bộ sưởi có thể được thiết kế với các bộ phận có thể tháo rời hoặc có khả năng tẩy cặn bằng hóa chất cho phép loại bỏ thường xuyên cặn bám tích tụ và thiết lập lại hiệu suất nhiệt. Trong dịch vụ nước cứng, chu trình rửa axit hàng tháng sẽ duy trì bộ gia nhiệt hoạt động ở nhiệt độ bề mặt vượt quá giới hạn liên tục được khuyến nghị là 20–30 độ. Phương án thứ tư là sẵn sàng chấp nhận giảm tuổi thọ sử dụng như một sự đánh đổi về mặt kinh tế. Nếu máy sưởi có giá 500 USD và quy trình không thể chấp nhận thiết bị có lưu lượng lớn hơn hoặc cao hơn thì việc thay thế máy sưởi sáu tháng một lần có thể ít tốn kém hơn so với việc thực hiện các điều chỉnh lớn cho hệ thống. Ở đây quyết định kỹ thuật là rõ ràng chứ không phải ngẫu nhiên.

Kết luận: Xác định 316 thông số vỏ bọc để quản lý nhiệt độ bề mặt
Đối với các kỹ sư lựa chọn lò sưởi ngâm điện bọc thép không gỉ 316, hệ số giới hạn đối với mật độ watt và độ dày thành thường không phải là nhiệt độ chất lỏng hoặc hạn chế về độ bền cơ học mà là nhiệt độ bề mặt tối đa cho phép. Khi nhiệt độ vỏ bọc trên 110 độ trong nước cứng hoặc 160 độ trong dầu khoáng, cặn sẽ tăng theo cấp số nhân, với chu trình tự tăng cường- là truyền nhiệt thấp hơn và nhiệt độ dây bên trong cao hơn. Các bức tường dày hơn làm tăng nhiệt độ bề mặt ở mật độ watt nhất định và làm tăng nguy cơ đóng cặn trong chất lỏng tắc nghẽn một cách nghịch lý. Thông số kỹ thuật phù hợp bắt đầu bằng việc nhận biết khả năng co giãn của chất lỏng xử lý và giới hạn thực tế đối với nhiệt độ bề mặt vỏ bọc. Giới hạn này có thể được sử dụng để tính toán mật độ watt tối đa với khả năng chịu nhiệt của độ dày thành đã cho. Nếu mật độ watt thu được quá thấp để cung cấp tổng công suất cần thiết trong không gian bình được phân bổ thì kỹ sư phải tăng diện tích bề mặt, cải thiện dòng chất lỏng, chịu đựng việc vệ sinh định kỳ hoặc nâng cấp lên vật liệu vỏ bọc có khả năng chống cặn cao hơn như Incoloy 825 hoặc titan. Khung quyết định được đưa ra ở đây cho phép những sự cân bằng đó được phân tích một cách định lượng, nhờ đó tránh được kiểu hỏng hóc thông thường khi bộ sưởi bị hỏng không phải do ăn mòn hoặc hư hỏng cơ học mà do ngạt nhiệt ngày càng tăng của cặn tích lũy của chính nó.