Kad 316 nerūsējošā tērauda apvalkotā sildītāja jaudas blīvums ūdens vidē pārsniedz kritisko robežvērtību lokālai viršanai{1}}izraisītai katlakmens un korozijai

Virsmas siltuma plūsmas kritērijs, lai atšķirtu samitrinātu karsēšanu un plēves viršanas bojājumus

Ja 316 nerūsējošā tērauda elektriskās sildīšanas caurules ir pilnībā iegremdētas ūdens šķīdumos, izmantotais jaudas blīvums (vati uz apvalka virsmas laukuma kvadrātcentimetru [W/cm2]) kontrolē ne tikai siltuma pārneses ātrumu, bet arī šķidruma fizisko stāvokli tiešā metāla virsmas tuvumā. Sildītājs darbojas kodolu viršanas režīmā, kurā veidojas tvaika burbuļi, atdalās un sabrūk, neradot nepārtrauktu tvaika segu, ja jaudas blīvums ir zem kritiskās vērtības. Pie lielāka sliekšņa apvalks nonāk plēves viršanas režīmā, kur šķidrums tiek izolēts no metāla ar stabilu tvaika plēvi, izraisot strauju apvalka temperatūras paaugstināšanos. Starp šiem diviem režīmiem pastāv pārejas jaudas blīvuma diapazons, kurā lokalizēta periodiska plēves viršana izraisa smagu termisko ciklu, ātru mēroga nogulsnēšanos un paaugstinātu korozijas ātrumu. Rakstā ir aprēķināti kritiskie jaudas blīvuma ierobežojumi 316 nerūsējošā tērauda apvalkiem ūdenī un ūdens šķīdumos, kā arī sniegta dizaina sistēma, lai mazinātu slēptos bojājumu mehānismus, ko izraisa šo robežu pārsniegšana.

Siltuma pārneses režīmi un to fiziskās robežas iegremdētiem apvalkiem

Trīs viršanas režīmi ir redzami ūdenim, ko silda 316 nerūsējošā tērauda apvalks atmosfēras spiedienā, palielinot jaudas blīvumu. Dabiskās konvekcijas režīmā (tīram ūdenim bieži zem 1-2 W/cm 2) burbuļi neveidojas un siltums tiek nodots tikai vadīšanas un dabiskās konvekcijas ceļā šķidruma robežslānī. Kodolu viršanas režīmā (apmēram 2-15 W/cm 2 atkarībā no virsmas apdares un apakšdzesēšanas) kodolu veidošanās vietās veidojas izolēti tvaika burbuļi, kas izplešas difūzijas ceļā, atdalās un sabrūk vēsākā tilpuma šķidrumā. Šim režīmam ir vislielākie siltuma caurlaidības koeficienti (5000-20000 W/m2.K) ar apvalka temperatūru tikai par 5-20 grādiem virs tilpuma šķidruma viršanas temperatūras. Pie kritiskās siltuma plūsmas (CHF), parasti 12-18 W/cm2 tīram 316 apvalkam ūdenī 100 grādu tilpuma temperatūrā, burbuļu veidošanās ir tik spēcīga, ka blakus esošie burbuļi saplūst, veidojot nepārtrauktu tvaika plēvi. Šis plēves viršanas režīms ar tādu pašu pielietoto jaudu izraisa apvalka temperatūras paaugstināšanos no aptuveni 120-130 grādiem līdz vairāk nekā 400-600 grādiem, jo ​​tvaika siltumvadītspēja ir 20-30 reizes vājāka nekā ūdens. Augstā apvalka temperatūra palielina 316 virsmas oksidāciju, izgulsnē izšķīdušos sāļus kā pielipušos nogulsnes un ekstremālās situācijās izraisa caurules izliekšanos vai lūzumu no iekšējā spiediena palielināšanās. Rūpniecisko sildītāju projektēšanai darbība zem 80 % no CHF nodrošina drošu darbības rezervi, lai izvairītos no plēves vārīšanās normālos šķidruma apstākļos.

Izšķīdušo cietvielu ietekme uz kritiskās jaudas blīvuma slieksni

Izšķīdušie sāļi ievērojami samazina CHF 316 apvalkiem, īpaši kalcija bikarbonāts, nātrija hlorīds un magnija sulfāts. Katra no šīm izšķīdušajām vielām paaugstina šķidruma viskozitāti un virsmas spraigumu un samazina iespējamo kodolu veidošanās vietas blīvumu. Sistemātiski testi sintētiskā dzesēšanas ūdenī (300 ppm cietība kā CaCO₃) parāda, ka CHF samazinās no aptuveni 15 W/cm² destilētā ūdenī līdz 10–11 W/cm² 80 grādu tilpuma temperatūrā. Samazinājums ir saistīts ar faktu, ka uz apvalka virsmas pat ļoti plāns amorfs slānis, kura biezums ir mazāks par 50 µm, palielina siltuma pretestību starp metālu un šķidrumu, un līdz ar to metāla virsmas temperatūra paaugstinās ar tādu pašu pielietoto jaudu. Temperatūras paaugstināšanās vēl vairāk palielina katlakmens nogulsnēšanos, radot pozitīvas atgriezeniskās saites cilpu, ko sauc par piesārņojuma izraisītu plēves viršanu. 316 apvalkam ar jaudu 12 W/cm2, kas darbojas cietā ūdenī, apvalka temperatūra var būt 110 grādi (viršanas kodols), bet pēc 100 stundu darbības 0,1 mm skalas slānis paaugstina metāla temperatūru virs 200 grādiem, iespējams, izraisot plēves viršanu, lai gan jaudas blīvums nav mainījies. Kad plēve ir uzvārījusies, pats katlakmens slānis var saķepināt cietā, stiklam līdzīgā nosēdumā, kas ir jānoņem mehāniski. Praktiskā nozīme ir tāda, ka drošais maksimālais jaudas blīvums 316 apvalkam neapstrādātā ūdenī ir tikai par 5-6 W/cm2-mazāks nekā puse no destilētā ūdens CHF, ja ir nepieciešama ilgstoša darbība bez tīrīšanas.

Korozijas paātrinājums, kas pārsniedz kodolvielu viršanas sliekšņa jaudas blīvumu

Papildus tiešajiem plēves vārīšanās un pārkaršanas draudiem, 316 apvalka izmantošana augšējā kodola viršanas zonā (virs aptuveni 8 W/cm2 tīrā ūdenī, 4-5 W/cm2 cietā ūdenī) paātrina lokalizētu koroziju, izmantojot divus mehānismus. Pirmā ir koncentrācijas polarizācija, kurā tvaika burbuļu veidošanās un atdalīšanās palielina ne-gaistošo izšķīdušo vielu koncentrāciju šķidrumā, kas paliek uz metāla virsmas. Piemēram, hlorīda jonus var koncentrēt 10–100 reižu viršanas saskarnē, tādējādi radot lokālu vidi, kurā pretējā gadījumā būtu nepieciešama hlorīda koncentrācija 10 000–50 000 ppm, lai izraisītu bedrīšu veidošanos. Otrs mehānisms ir termiskā gradienta vadīta galvaniskā korozija. Metāla virsma zem augošā burbuļa (kur tiek uzturēts kontakts ar šķidrumu) ir nedaudz augstākā temperatūrā nekā apgabalos tieši pēc burbuļa aizplūšanas, radot temperatūras starpību 2-5 grādus, kā rezultātā rodas izmērāma korozijas potenciāla atšķirība. Laika gaitā šī atšķirība izraisa lokalizētu uzbrukumu burbuļa kodolu veidošanās vietās, kas parādās kā mazas apaļas bedrītes (parasti 0,5–2,0 mm diametrā), kas pēc diametra ir identiska izplūstošā burbuļa diametram. Ilgtermiņa iegremdēšanas testu rezultāti apstiprina secinājumu, ka 316 apvalkam, kas darbojās ar 10 W/cm2 500 ppm hlorīda ūdenī 100 grādu temperatūrā, bedres blīvums ir 5–8 reizes lielāks nekā tam pašam apvalkam, kas darbojas ar 3 W/cm2 citos līdzvērtīgos šķidruma apstākļos. Zemāk esošajā tabulā parādīti jaudas blīvuma ierobežojumi 316 apvalkiem atkarībā no ūdens kvalitātes un darbības veida.

Ūdens kvalitāte/stāvoklis Maksimālais nepārtrauktas jaudas blīvums kodolvielu vārīšanai (W/cm2) Maksimālais jaudas blīvums, periodisks darbs (<10 min on/off) (W/cm2) Primary Failure Mode Above Limit Recommended Application
Tīrs 12-14 16-18 Plēves vārīšana → tvaika pārklājums → izdegšana Augstas-tīrības skalošanas tvertnes, laboratorijas sildītāji Destilēts vai dejonizēts ūdens
Zems hlorīda saturs, mīksts ūdens (<100 ppm hardness) 8‑10 12‑14 Chloride concentration polarisation → pitting Closed loop heating systems, treated boiler feed
Pašvaldības krāna ūdens (cietība 100–300 ppm) 5-7 9-11 Nosēdumi, saķepināti nogulsnes izraisa plēves vārīšanu Vispārēja rūpnieciskā tvertnes sildīšana, neregulāra tīrīšana
Ciets ūdens (cietība 300-500 ppm) 3-5 6-8 Ātra nogulšņu veidošanās, pārkaršana, bedrīšu veidošanās Ierobežota lietošana; ieteikt ūdens mīkstināšanu
Jūras ūdens vai iesāļš ūdens (15 000–35 000 ppm TDS) 2-3 4-5 Spēcīgs iedobums + hlors SCC 316 nav piemērots; titāns vai Inconel
Augstas tīrības ūdens ar zemu vadītspēju 6-8 10-12 Lokalizēta pārkaršana zemā viršanas temperatūrā Priekšsildītājs reversās osmozes sistēmām
Ūdens, kas satur suspendētās daļiņas vai organiskās vielas 2-4 5-7 Kombinētā erozija-korozija un piesārņojums Nepieciešama filtrēšana vai cita karsēšanas metode
Darbības jaudas blīvuma praktiska noteikšana esošajiem un norādītajiem sildītājiem

Projektēšanas inženieriem, kas izvēlas jaunu 316 apvalkotu sildītāju, jaudas blīvums tiek aprēķināts kā kopējais vats, kas dalīts ar samitrinātās apvalka virsmas laukumu (neskaitot neiegremdētās daļas). Piemēram, 3000 W sildītājam ar 300 mm iegremdēto garumu un 12 mm ārējo diametru virsmas laukums ir aptuveni 113 cm2, nodrošinot jaudas blīvumu 26,5 W/cm2 -, kas ievērojami pārsniedz jebkuru drošo robežvērtību lietošanai ūdenī. Šāds sildītājs neizdosies dažu stundu laikā pēc plēves uzvārīšanās. Drošas jaudas blīvums ir diapazonā no 3-8 W/cm² normālai ūdens kvalitātei, kam nepieciešams ilgāks apvalka garums vai vairāki U-caurules izvietojumi, lai sadalītu siltuma plūsmu. Sildītājiem, kas jau tiek izmantoti, plēves vārīšanās bieži tiek pavadīta ar skaņas signāliem, piemēram, šņākšanu vai šļakatām. Tas ievērojami atšķiras no kodolu viršanas zemā dārdoņa. Virsmas krāsas izmaiņas, īpaši zilas, purpursarkanas vai melnas oksīda plēves, liecina, ka apvalks ir pārsniedzis 250-300 grādus, kas liecina, ka ir notikusi plēves vārīšanās. Visuzticamākā diagnostika ir apvalka virsmas temperatūras mērījums ar termopāra palīdzību (izmantojot kontaktzondi ar zondes pašas siltuma izlietnes efekta kompensāciju). Verdošā ūdenī atmosfēras spiedienā virsmas temperatūra virs 130 grādiem skaidri norāda uz plēves viršanu vai nopietnu zvīņošanos.

Secinājums: jaudas blīvuma samazināšana kā galvenā ilgstoša apvalka kalpošanas laika kontrole

316 nerūsējošā tērauda apvalkotā sildītāja jaudas blīvums ūdens režīmā ir ne tikai darbības rādītājs, bet arī dominējošais mainīgais, kas nosaka, vai sildītājs droši darbojas kodola vārīšanās laikā vai arī pats sevi iznīcina plēves vārīšanās un paātrinātas korozijas rezultātā. Tīram destilētam ūdenim maksimālais pieļaujamais nepārtrauktās jaudas blīvums ir aptuveni 12 W/cm 2. Tomēr šī robeža strauji samazinās, palielinoties cietībai, hlorīda saturam un kopējām izšķīdušajām cietajām vielām. Parastajam rūpnieciskajam krāna ūdenim līdz 5-7 W/cm$^2$ nodrošina uzticamu ilgtermiņa darbību bez ievērojamas mērogošanas vai bedrīšu veidošanās. Inženieriem ir jāaprēķina jaudas blīvums tieši no apvalka izmēriem un vatiem un jāsalīdzina rezultāts ar ierobežojumiem iepriekš tabulā, pamatojoties uz faktiskajiem ūdens kvalitātes datiem. Jaudas samazināšana vai apsildāmā garuma palielināšana, lai norādītu mazāku jaudas blīvumu, gandrīz parasti ir rentablāka nekā siltummaiņu vai pilnīgas tvertnes nomaiņa pēc atteices plēves viršanas dēļ. Šeit aprakstītā paradigma, kas saista jaudas blīvumu ar kodolvielu viršanas fiziskajām robežām, dod pircējam iespēju izstrādāt 316 apvalkotus sildītājus, kas nodrošina gan efektīvu siltuma pārnesi, gan paredzamu kalpošanas laiku ūdens apstākļos.