Độ nhám cực đại cho phép (Rz) tối đa trên đường kính trong của ống bọc bộ gia nhiệt 316 ngăn chặn quá nhiệt cục bộ do biến đổi điện trở tiếp xúc với lớp cách điện MgO

Biến ẩn của kết cấu bề mặt lỗ khoan trong tính đồng nhất của truyền nhiệt

Độ hoàn thiện bề mặt đường kính bên trong, tức là độ nhám cực đại (Rz, chiều cao trung bình tối đa của các đỉnh bề mặt) của ống gia nhiệt điện bọc thép không gỉ 316 là yếu tố quan trọng để kiểm soát điện trở tiếp xúc giữa vỏ bọc và lớp cách điện magie oxit (MgO) nén chặt. Đối với bề mặt bên trong gồ ghề có các đỉnh cao (Rz > 10-15 µm), bột MgO nén không đồng đều: áp suất tiếp xúc cao ở các đỉnh dẫn đến độ dẫn nhiệt cục bộ cao hơn, trong khi các thung lũng (có áp suất tiếp xúc hoặc khe hở không khí thấp hơn) dẫn đến các vùng có nhiệt trở cao hơn. Sự biến động tiếp theo trong quá trình truyền nhiệt xung quanh chu vi và xuống trục có thể dẫn đến quá nhiệt cục bộ của dây điện trở ở các đỉnh (nơi thoát nhiệt hiệu quả nhất) hoặc tại các thung lũng (nơi tích tụ nhiệt). Khi Rz lớn hơn 20 micron, nhiệt độ cục bộ có thể dao động từ 50-100 độ C, làm giảm tuổi thọ dây từ 2-5 lần. Trong nghiên cứu này, mối tương quan giữa đường kính trong Rz, độ đồng đều điện trở tiếp xúc và tuổi thọ của bộ gia nhiệt được định lượng.

Cơ chế biến đổi điện trở tiếp xúc theo kết cấu bề mặt

Độ dẫn nhiệt của bột MgO đã nén không phải là hằng số vật liệu mà phụ thuộc rất nhiều vào áp suất tiếp xúc giữa MgO và vỏ bọc. Tại những vị trí mà bề mặt bên trong của vỏ bọc đạt cực đại, áp suất tiếp xúc cục bộ là đáng kể (do bị dịch chuyển) và buộc các tinh thể MgO tiếp xúc chặt chẽ với kim loại. Trong thung lũng, nơi bề mặt ít bị nén chặt nhất, các khoảng trống không khí (độ dẫn nhiệt=0.03 W/m·K) còn lại có chức năng như chất cách nhiệt. Nhiệt độ giảm trên khe hở không khí lớn hơn 50-200 lần so với vùng MgO được nén chặt đối với dòng nhiệt tương tự. Thông số cơ bản là độ nhám đỉnh Rz (chiều cao từ thung lũng thấp nhất đến đỉnh cao nhất) vì các thung lũng sâu nhất tạo ra khả năng chịu nhiệt cao nhất. Giá trị Rz của đường kính trong lớn hơn 10-15 µm sẽ dẫn đến các điểm nóng dễ nhận thấy.

Mối tương quan định lượng giữa đường kính trong Rz và độ đồng đều nhiệt độ

Phân tích phần tử hữu hạn, được chứng thực bằng phép đo cặp nhiệt điện trên 316 vỏ bọc (đường kính ngoài 10 mm, thành 1,5 mm, dây NiCr), với nhiều bề mặt hoàn thiện có đường kính trong khác nhau, đã thiết lập các kết nối sau đây giữa Rz, sự thay đổi nhiệt độ và tuổi thọ của dây.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm2<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Ảnh hưởng của mật độ năng lượng đến độ nhạy Rz

Tác động bất lợi của Rz cao tăng lên khi mật độ năng lượng tăng lên vì cùng một biến thiên của điện trở nhiệt sẽ làm tăng nhiệt độ tuyệt đối lớn hơn.

Mật độ nguồn (W/cm^2) Rz tối đa cho phép đối với tuổi thọ dây 10.000 giờ (um) Rz tối đa cho phép đối với tuổi thọ dây 5.000 giờ (um) Thông số kỹ thuật khuyến nghị cho dịch vụ tiêu chuẩn<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Bề mặt hoàn thiện: Đặc điểm kỹ thuật thực tế của đường kính trong

Rất hiếm khi bề mặt hoàn thiện của đường kính trong được chỉ định trong bảng dữ liệu tiêu chuẩn dành cho người mua chỉ định bộ gia nhiệt có vỏ bọc 316. Ngôn ngữ đặc tả được đề xuất cho các ứng dụng có mật độ công suất cao hoặc tuổi thọ kéo dài như sau:

Power Density >5 W/cm2 Tuổi thọ mục tiêuRz (µm) Đường kính trong tối đa Ra (µm) Đường kính trong tối đa Mfg Yêu cầu quy trình Phương pháp xác minh20.000 giờ<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Nhận dạng hiện trường các điểm nóng do Rz gây ra

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20µm. Các phần lân cận (có dây còn sót lại) có Rz thấp hơn. Đối với những lỗi như vậy, biện pháp khắc phục là đặt giới hạn Rz thấp hơn cho các lần mua trong tương lai. Máy sưởi không thể sửa chữa được.

Ảnh hưởng của đường kính trong đến quá trình nén MgO

Ngay cả với đường kính trong tốt Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >Mức giảm 18% đảm bảo ngay cả các máng sâu cũng chứa đầy MgO nhưng có thể làm hỏng dây điện trở. Mức giảm độ lệch tốt nhất cho lớp hoàn thiện có đường kính bên trong nhất định là:

Đường kính trong Rz (µm) Giảm độ lệch tối thiểu được đề xuất (%) Giảm độ lệch tối đa được đề xuất (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Không khuyến khích N/A
KẾT LUẬN: Định nghĩa đường kính trong Rz cho máy sưởi công suất cao

Đối với các ống sưởi điện có vỏ bọc inox 316 có mật độ công suất > 5 W/cm2, độ nhám cực đại (Rz) của đường kính trong ảnh hưởng đến tính đều đặn của điện trở tiếp xúc với lớp cách điện MgO. Giá trị Rz trên 10 đến 12 µm gây ra các điểm nóng cục bộ với nhiệt độ thay đổi từ 25 đến 70 độ và làm giảm tuổi thọ của dây từ 40 đến 60% so với ống{10}có lỗ trơn. Khi đặt hàng 316 vỏ bọc cho các ứng dụng-công suất cao hoặc tuổi thọ{14}}dài, các kỹ sư phải chỉ định tiêu chí Rz đường kính trong tối đa (ví dụ:<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15.000 giờ), lỗ khoan được đánh bóng bằng điện (Rz<6 µm) is recommended.