Proceso inžinieriams, naudojantiems elektrinius panardinamuosius šildytuvus aukštos -temperatūros skysčių įrenginiuose-, pvz., šilumos perdavimo alyvos sistemose, slėginėse karšto vandens kilpose ir tam tikruose cheminiuose reaktoriuose, -316 nerūdijančio plieno apvalkalo išorinio paviršiaus temperatūra retai matuojama tiesiogiai. Vietoj to, valdymas pagrįstas tūrinio skysčio temperatūra ir naudojama galia. Šis netiesioginis metodas slepia kritinį gedimo mechanizmą: ant apvalkalo paviršiaus susidaro prilipusios oksido apnašos ir užteršimo nuosėdos, kurios palaipsniui didina šiluminę varžą ir galiausiai sukelia vidinės varžos laido perkaitimą. 316 nerūdijančio plieno pleiskanojimas nėra pastovus, bet eksponentiškai didėja virš slenkstinės paviršiaus temperatūros. Šiame straipsnyje apibrėžiama maksimali praktinė apvalkalo paviršiaus temperatūra 316 įvairiuose skysčiuose, kiekybiškai įvertinama šiluminė mastelio susidarymo žala ir pateikiama nuspėjamoji sistema, leidžianti nurodyti sienelės storį ir vatų tankį, kad jie liktų žemiau mastelio keitimo slenksčių.
Skalavimo mechanizmas ir jo temperatūros priklausomybė nuo 316 nerūdijančio plieno
Kai 316 nerūdijančio plieno apvalkalas liečiasi su proceso skysčiais, kuriuose yra vandens, ištirpusių druskų, organinių junginių ar deguonies, paviršius patiria cheminių ir fizinių pokyčių. Vandeniniuose tirpaluose, kurių temperatūra viršija 60 laipsnių, dominuojantis mechanizmas yra kalcio karbonato, kalcio sulfato ir silicio dioksido{3}} nuosėdų nusodinimas. Šių mineralų tirpumas mažėja kylant temperatūrai, todėl jie pirmiausia nusėda ant karštų paviršių. Nuosėdų nusėdimo greitis apytiksliai padvigubėja kiekvieną kartą, kai apvalkalo paviršiaus temperatūra padidėja 15–20 laipsnių virš tūrinio skysčio temperatūros. Šilumos perdavimo alyvose ir organiniuose skysčiuose ant apvalkalo paviršiaus susidaro terminio skilimo produktai-karbonizuoti likučiai, polimerizacijos šalutiniai produktai ir lako pavidalo plėvelės{11}}. Arrhenius ryšys reguliuoja šias skilimo reakcijas, o tai reiškia, kad 25 laipsnių paviršiaus temperatūros padidėjimas paprastai trigubai padidina anglies nuosėdų susidarymo greitį. Net ir švariame demineralizuotame vandenyje pats 316 apvalkalas oksiduojasi lėtai. Esant žemesnei nei 120 laipsnių temperatūrai, pasyvus chromo oksido sluoksnis išlieka plonas ir apsauginis, todėl šiluminė varža yra nereikšminga. Virš 150 laipsnių oksido augimo greitis pagreitėja ir susidaro storesnės, tamsesnės apnašos, sudarytos iš sumaišytų geležies -chromo-nikelio oksidų. Šios metalo oksido skalės šilumos laidumas yra tik 2–5 W/m·K-maždaug nuo vieno -ketvirčio iki-trečdalio nei 316 nerūdijančio plieno pagrindo. 0,1 mm storio oksido sluoksnis ant 1,5 mm apvalkalo padidina šiluminę varžą, atitinkančią apvalkalo sienelės storio padidėjimą maždaug 0,3–0,4 mm.
Kiekybinės masto{0}}sukelto terminio pabėgimo slenksčiai
Paviršiaus mastelio pavojus slypi savaime{0}}sustiprinančioje prigimtyje. Švaraus 316 apvalkalo, veikiančio 10 W/cm² vatų tankiu 90 laipsnių vandenyje, paviršiaus temperatūra yra maždaug 15–20 laipsnių aukštesnė už birų skystį. Kai kaupiasi nuosėdos, dėl papildomos šiluminės varžos apvalkalo paviršiaus temperatūra yra aukštesnė, kad būtų išlaikytas toks pat šilumos srautas. Aukštesnė paviršiaus temperatūra pagreitina tolesnį mastelio susidarymą ir sukuria teigiamą grįžtamojo ryšio kilpą. Galiausiai vidinės varžos laido temperatūra viršija saugią maždaug 800 laipsnių ribą, todėl laidas oksiduojasi arba sugenda MgO izoliacija. Eksperimentiniai kontroliuojamų užsiteršimo bandymų duomenys pateikia specifines ribas. 316 apvalkalų kietame vandenyje (200 ppm CaCO₃ ekvivalentas), žemesnė nei 110 laipsnių paviršiaus temperatūra sukelia mažiau nei 0,01 mm per mėnesį,{17}}nereikšmingą per penkerius{18}}tarnavimo metus. Nuo 110 laipsnių iki 130 laipsnių mastelio keitimo greitis padidėja iki 0,03–0,08 mm per mėnesį, todėl po vienerių ar dvejų metų išmatuojamas našumo pablogėjimas. Virš 130 laipsnių mastelio keitimo greitis viršija 0,15 mm per mėnesį, todėl per šešis–dvylika mėnesių atsiranda dideli šilumos perdavimo nuostoliai ir galimas perkaitimas. Šilumos perdavimo alyvoms kritinė paviršiaus temperatūra priklauso nuo alyvos chemijos. Mineralinės alyvos paprastai toleruoja 316 apvalkalo paviršiaus temperatūrą iki 160 laipsnių be greito karbonizacijos. Sintetiniai aromatiniai aliejai gali atlaikyti 180–200 laipsnių temperatūrą. Virš šių slenksčių anglies nusėdimo greitis smarkiai padidėja, todėl susidaro izoliaciniai sluoksniai, dėl kurių gali atsirasti vietinių karštų taškų ir alyvos įtrūkimų.
Kaip sienos storis keičia mastelio keitimo riziką
Ryšys tarp apvalkalo sienelės storio ir mastelio susidarymo rizikos yra netiesioginis, bet svarbus. Kaip nustatyta ankstesniuose straipsniuose, storesnis 316 apvalkalas turi didesnę šiluminę varžą, todėl esant tam tikram vatų tankiui, išorinio paviršiaus temperatūra yra aukštesnė, palyginti su plonesniu apvalkalu. Dėl šios aukštesnės paviršiaus temperatūros šildytuvas priartėja prie mastelio keitimo slenksčių arba viršija juos. Apsvarstykite du identiškus šildytuvus, veikiančius 12 W/cm² 95 laipsnių kietame vandenyje. 1,0 mm apvalkalas pasiekia maždaug 112 laipsnių išorinio paviršiaus temperatūrą -šiek tiek virš 110 laipsnių slenksčio, leidžiančio lėtam masteliui susidaryti. 2,0 mm apvalkalas identiškomis sąlygomis pasiekia maždaug 128 laipsnių išorinio paviršiaus temperatūrą, gerai į vidutinį mastelio diapazoną. Taigi storesnis apvalkalas greičiau pleiskanoja, nepaisant to, kad reikia prarasti daugiau medžiagos. Per dvejus nepertraukiamo veikimo metus 1,0 mm apvalkalas gali susikaupti 0,2 mm apnašų, padidindamas efektyvią šiluminę varžą 10–15%. 2,0 mm apvalkalas gali sukaupti 0,8–1,0 mm apnašų, padidindamas efektyvų atsparumą 40–60% ir gali sukelti šiluminį nutekėjimą. Šis prieštaringas rezultatas reiškia, kad skysčiams, linkusiems į pleiskanojimą, plonesnis apvalkalas iš tikrųjų gali užtikrinti ilgesnį tarnavimo laiką, nes paviršiaus temperatūra yra žemesnė už kritinę mastelio susidarymo slenkstį, net jei plonesnė sienelė yra mažiau atspari korozijai.
Didžiausia rekomenduojama 316 apvalkalo paviršiaus temperatūra pagal skysčio tipą
Toliau pateiktoje lentelėje pateiktos maksimalios nuolatinės apvalkalo paviršiaus temperatūros 316 nerūdijančio plieno panardinamųjų šildytuvų įprastuose proceso skysčiuose. Šios vertės numato švarias pradines sąlygas ir siekia pakankamai mažo mastelio keitimo greičio, kad šildytuvo našumas pablogėtų ne daugiau kaip 10 % per dvejų{3}} metų veikimo laikotarpį. Tūrinio skysčio temperatūra ir apskaičiuotas temperatūros kilimas per apvalkalo sienelę lemia faktinę paviršiaus temperatūrą.
| Proceso skystis | Maksimali 316 apvalkalo paviršiaus temperatūra | Atitinkamas maksimalus vatų tankis 1,0 mm apvalkalui (80 laipsnių tūrinis) | Atitinkamas maksimalus vatų tankis 1,6 mm apvalkalui (80 laipsnių tūrinis) | Dominuojantis mastelio keitimo arba degradacijos mechanizmas |
|---|---|---|---|---|
| Demineralizuotas arba minkštas vanduo (mažas pleiskanojimas) | 140 laipsnių | 22 W/cm² | 14 W/cm² | Metalo oksido augimas, minimalus žemiau 140 laipsnių |
| Kietas vanduo (100–200 ppm kietumo) | 110 laipsnių | 12 W/cm² | 7 W/cm² | Kalcio karbonato nusodinimas |
| Very hard water (>200 ppm kietumas) | 95 laipsnių | 6 W/cm² | 4 W/cm² | Greitas karbonato ir sulfato nuosėdų pašalinimas |
| Mineralinė šilumnešio alyva (ISO VG 32–68) | 160 laipsnių | 28 W/cm² | 18 W/cm² | Terminis skilimas ir karbonizacija |
| Sintetinis aromatinis šilumos perdavimo skystis | 200 laipsnių | 38 W/cm² | 24 W/cm² | Polimerizacija ir kokso susidarymas |
| Praskiestas šarmo tirpalas (5–10 % NaOH) | 120 laipsnių | 15 W/cm² | 9 W/cm² | Geležies oksido apnašų susidarymas, kaustinė korozija |
| Praskiestas rūgšties tirpalas (pH 3–5, ne-chloridas) | 130 laipsnių | 18 W/cm² | 11 W/cm² | Silicio dioksido ir metalo druskų nusodinimas |
| Maisto perdirbimo sūrymas (sotus NaCl) | 90 laipsnių | 5 W/cm² | 3 W/cm² | Druskos kristalizacija ir sukibimas |
Šios vertės rodo nepertraukiamo veikimo ribas. Pertraukiamas veikimas leidžia šiek tiek aukštesnes paviršiaus temperatūras, nes laiko esant temperatūrai nepakanka, kad susidarytų reikšmingas mastelis. Šildytuvas, veikiantis aštuonias valandas per dieną, gali toleruoti paviršiaus temperatūrą, 10–15 laipsnių viršijančią nuolatines ribas, su panašiu mastelio kaupimu per kalendorinį laiką.
Projektavimo strategijos, kaip išlaikyti apvalkalo paviršiaus temperatūrą žemiau mastelio slenksčių
Kai proceso reikalavimai reikalauja tūrinės skysčio temperatūros arba vatų tankio, dėl kurio 316 apvalkalo paviršius viršytų mastelio slenksčius, keturios konstrukcijos modifikacijos gali atkurti priimtiną veikimą. Pirmoji ir pati tiesiausia strategija – padidinti šildomo paviršiaus plotą. Ilgesnis ar didesnis-skersmens apvalkalas sumažina vatų tankį esant tokiai pačiai bendrai galiai ir tiesiogiai sumažina paviršiaus temperatūrą. Padvigubėjus panardinamajam ilgiui, vatų tankis sumažėja perpus ir paviršiaus temperatūros kilimas virš birių skysčių sumažėja maždaug 40–50%. Antroji strategija yra padidinti skysčio greitį per šildytuvą. Priverstinė konvekcija su cirkuliaciniu siurbliu arba maišytuvu gali sumažinti skysčio ribinio sluoksnio varžą 50–70%, sumažinant apvalkalo paviršiaus temperatūrą 10–25 laipsniais, esant tokiam pat vatų tankiui. Trečioji strategija apima periodines valymo nuostatas. Suprojektavus šildytuvo įrenginį su nuimamais elementais arba prieiga cheminiam kalkių pašalinimui, galima reguliariai pašalinti susikaupusias apnašas ir atkurti šilumines charakteristikas. Naudojant kieto vandens tiekimą, mėnesinis plovimo rūgštimi ciklas gali išlaikyti šildytuvą, kurio paviršiaus temperatūra 20–30 laipsnių viršija rekomenduojamą nuolatinę ribą. Ketvirtoji strategija – priimti trumpesnį tarnavimo laiką kaip ekonominį{19}}išlygą. Jei šildytuvas kainuoja 500 USD, o procesas negali pritaikyti didesnio ar didesnio srauto, kas šešis mėnesius keisti šildytuvą gali būti ekonomiškiau nei atlikti plataus masto sistemos pakeitimus. Tokiais atvejais inžinerinis sprendimas yra aiškus, o ne atsitiktinis.
Išvada: Nurodykite 316 apvalkalo parametrus paviršiaus temperatūrai valdyti
Inžinieriams, pasirenkantiems 316 elektrinių panardinamųjų šildytuvų su nerūdijančio plieno apvalkalu, didžiausia leistina paviršiaus temperatūra dažnai yra tikrasis vatų tankio ir sienelės storio apribojimas, o ne tūrinio skysčio temperatūra ar mechaninio stiprumo ribos. Kai apvalkalo paviršius viršija apytiksliai 110 laipsnių kietame vandenyje arba 160 laipsnių mineralinėje alyvoje, pleiskanojimas pagreitėja eksponentiškai, sukurdamas savaime{4}}sustiprinantį ciklą, kai sumažėja šilumos perdavimas ir padidėja vidinė laido temperatūra. Kadangi storesnės sienos padidina paviršiaus temperatūrą esant tam tikram vatų tankiui, paradoksaliai jos padidina nuosėdų susidarymo riziką užsiteršusiems skysčiams. Teisinga specifikacija prasideda technologinio skysčio mastelio susidarymo potencialo ir praktinės apvalkalo paviršiaus temperatūros ribos nustatymu. Nuo šios ribos didžiausią vatų tankį galima apskaičiuoti naudojant pasirinkto sienelės storio šiluminę varžą. Jei gaunamas vatų tankis yra per mažas, kad būtų pasiekta reikiama bendra galia turimoje indo erdvėje, inžinierius turi arba padidinti paviršiaus plotą, padidinti skysčio srautą, reguliariai valyti arba pakeisti mastą -atsparesnę apvalkalo medžiagą, pvz., Incoloy 825 arba titaną. Čia pateikta sprendimų sistema leidžia šiuos kompromisus įvertinti kiekybiškai, išvengiant įprasto gedimo režimo, kai šildytuvas sugenda ne dėl korozijos ar mechaninių pažeidimų, o dėl laipsniško terminio uždusimo jo paties susikaupusio masto.
