Kāpēc 316 nerūsējošā tērauda apvalkam ar 1,8 milimetru sienas biezumu ir īsāks termiskā noguruma kalpošanas laiks nekā 1,2 milimetru sienai cikliskā gaisa sildīšanas pakalpojumā 250 grādu pēc Celsija?

Inženieriem, kas izstrādā elektriskos iegremdējamos sildītājus rūpnieciskajām krāsnīm, gaisa kanālu sildītājus un termiskā cikla kamerām, apvalka sieniņu biezuma izvēle ir kompromiss starp mehānisko izturību un termisko noguruma izturību. Ironiski, ka temperatūras gradients pāri sienai rada lielākus termiskos spriedzi, un līdz ar to biezākas sienas parasti ātrāk sabojājas cikliskā gaisa sildīšanas pakalpojumā. Sildot vai dzesējot gaisā apvalku ar biezām sienām, ārējā virsma karsēšanas laikā kļūst ievērojami karstāka nekā iekšējā virsma, bet dzesēšanas laikā – daudz vēsāka, jo siltuma pārneses koeficients gaisā ir zems. 7. Šī diferenciālā izplešanās izraisa ciklisku plastmasas deformāciju, kas izraisa noguruma plaisāšanu. Šajā rakstā ir novērtēti iemesli, kāpēc 1,8 mm 316 apvalks ātrāk sabojājas nekā 1,2 mm apvalks cikliskā 250C gaisa darbībā. Doti eksperimentālie dati un galīgo elementu analīzes rezultāti.

Termiskā gradienta attīstība plānos un biezos apvalkos gaisā
Gaisa sildīšanas pakalpojumam siltuma pārneses koeficients starp apvalka virsmu un apkārtējo gaisu parasti ir 20–100 W/m²·K piespiedu konvekcijai, savukārt ūdens iegremdēšanai tas ir 1000–10 000 W/m²·K. Zemā vērtība nozīmē, ka apvalka virsmas temperatūrai ir ievērojami jāpārsniedz kopējā gaisa temperatūra, lai nodotu siltumu. Pie 10 vatu blīvuma W/cm 2 gaisa siltuma pārneses koeficients 50 W/m 2 .K, temperatūras starpība, apvalka virsma pret tilpuma gaisu, ir 200 o C. Apvalka virsmas temperatūrai jābūt 450 grādiem, ja tilpuma gaisa temperatūra ir 250 grādi. Temperatūras kritumu pāri apvalka sieniņai aprēķina, izmantojot Furjē likumu: ΔTwall=q*t/k kur q ir siltuma plūsma (100 000 W/m2), t ir sienas biezums un k ir siltumvadītspēja 316 (15 W/mK). Sienas biezumam 1,2 mm ΔT_siena=100,000 × 0,0012/15=8 grāds. Iekšējās virsmas temperatūra ir 458 grādi. 1,8 mm sienai: ΔTwall=100,000 × 0,0018/15=12 grāds. Temperatūra iekšpusē ir 462 grādi. Abos gadījumos temperatūras starpība pāri sienai ir neliela. Tomēr pārejošas sildīšanas laikā no apkārtējās vides uz līdzsvara stāvokli ārējā virsma uzsilst ātrāk nekā iekšējā virsma. Pielietojot jaudu, 10 sekunžu laikā 1,8 mm apvalka ārējā virsma var sasniegt 300 grādus, bet iekšējā virsma ir tikai 50 grādi, nodrošinot pārejošu ΔT_sienu 250 grādi. 1,2 mm apvalkam identisks pārejas efekts nodrošina ΔT_sienu ~ 170 grādu. Pārejošais termiskais spriegums ir proporcionāls \\Delta T_{wall}, tāpēc 1,8 mm apvalkam ir par 47% lielāks pārejošs termiskais spriegums.

Cikliskas plastmasas deformācijas uzkrāšanās un noguruma radītie bojājumi
Ja pārejošs termiskais spriegums pārsniedz tecēšanas robežu 316 darba temperatūrā -aptuveni 200 MPa pie 300 C-, materiāls plastiski padodas. Katrs sildīšanas cikls izraisa nelielu plastmasas spriedzes pieaugumu uz ārējās virsmas sildīšanas procesā un uz iekšējās virsmas dzesēšanas procesā. Šis plastmasas celms attīstās tūkstošiem ciklu un galu galā izraisa noguruma plaisu rašanos. Zema-cikla termisko nogurumu nosaka Coffin-Manson formula ( ) N f=Δε p C 1 (1), kur N f ir ciklu skaits līdz atteicei, Δε p ir plastmasas deformācijas diapazons ciklā un C un ir materiāla konstantes. Nelielas plastmasas deformācijas izmaiņas krasi samazina ciklu skaitu līdz neveiksmei. 316 apvalku galīgo elementu analīze cikliskā gaisa sildīšanā no 20 grādiem līdz 250 grādiem pie 10 W/cm2 paredz šādus plastmasas deformāciju diapazonus. Sienas biezumam 1,2 mm Δε_p=0.0012 (0,12%) un paredzamie dzīves cikli ir aptuveni 25 000. Sienas biezumam 1,8 mm Δε_p=0.0028 (0,28%) un paredzamie cikli līdz atteicei ir aptuveni 8000. Sienas biezumam 2,5 mm Δε_p ir 0,0055 (0,55%) ar aptuveni 2500 cikliem līdz atteicei. Eksperimentālā validācija testa sildītājiem, kuru gaisa temperatūra ir no 20 C līdz 250 C pie 10 W/cm^2, atklāj vidējos ciklus līdz atteicei no 22 000 1,2 mm, 7500 (1,8 mm) un 2 200 (2,5 mm) - teicama sakritība ar prognozi. Neskatoties uz to, ka tajā ir par 50% vairāk materiāla, 1,8 mm apvalks neizdodas ~ 1/3 no 1,2 mm apvalka cikliem.

Ieteicamais sienas biezums cikliskā gaisa sildīšanas pakalpojumam
Nākamajā tabulā ir norādīti ieteicamie 316 apvalku sieniņu biezumi elektriskiem iegremdējamiem sildītājiem cikliskā gaisa sildīšanas režīmā atkarībā no maksimālās gaisa temperatūras, vatu blīvuma un paredzamā termisko ciklu skaita visā sildītāja kalpošanas laikā.

Maksimālais gaisa temperatūras vatu blīvums paredzamie termiskie cikli dzīves laikā Ieteicamais maksimālais sienas biezums 316 cikli līdz kļūmei ieteicamā biezuma atteices režīmā
150 grādi 8 – 12 W/cm² < 5,000 2.0 mm 12 000 Termiskā izsīkšana pēc 5,000+ cikliem
150 grādi 8–12 W/cm² 5000–15,000 1.6 mm 18 000 termiskā noguruma robeža
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 mm 25 000 Seifs 15,000+ cikliem
200 grādi 6–10 W/cm² < 5,000 1.6 mm 15 000 Pieņemams zema-cikla pakalpojumiem
200 grādi 6–10 W/cm² 5000–10,000 1.2 mm 22 000 Ieteicams vidējam ciklam
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 mm 30 000 Plāna siena augsta-cikla apkalpošanai
250 grādi 5–8 W/cm2 Mazāk par 2,000 1.4 mm 14 000 Zems-cikls pieņemams 250 grādi 5–8 W/cm2 2,000–5,000 1.2 mm 22 000 Standarta ieteikums 250 W/cm, 000 1.4 mm 5 –{2 3 28 000 Plāna siena nepieciešama augstam-ciklam 300 grādi 4–6 W/cm2 Mazāk nekā 1,000 1.2 mm 18 000 robežvērtība; apsveriet sakausējuma jaunināšanu 300 grādi 4–6 W/cm2 Vairāk nekā 1000Nav ieteicams Zem 10 000 Lietojiet Incoloy 800H gaisa satiksmē
Cikliskai gaisa sildīšanai virs 250C tilpuma temperatūras 316 nerūsējošais tērauds ir pakāpeniski minimāls neatkarīgi no sienas biezuma. Augsts pārejošs termiskais stress un ātra oksidēšanās ievērojami saīsina noguruma kalpošanas laiku. Šajā gadījumā inženierim jānorāda Incoloy 800H. Šim materiālam ir augstāka siltumvadītspēja (apmēram 25 W/m·K pie 300 grādiem) un zemāks termiskās izplešanās koeficients (14 × 10⁻⁶/grādi pretstatā 17 × 10⁻⁶/grādi 316). Tas samazina termisko spriegumu par aptuveni 30% vienādam sienas biezumam.

Termiskā noguruma pagarinājuma konstrukcijas izmaiņas
Ja cikliskai gaisa sildīšanai mehānisku vai korozijas ierobežojumu dēļ ir nepieciešams biezs -sienu 316 apvalks, kas pārsniedz 1,6 mm, trīs konstrukcijas pielāgojumi var pagarināt termiskā noguruma kalpošanas laiku. Pirmais ir palēnināt apkures un dzesēšanas ātrumu. Sildītājam, kam nepieciešamas 60 sekundes, lai sasniegtu pilnu temperatūru, nevis 10 sekundes, būs ievērojami zemāki pārejoši temperatūras gradienti. Rampas ātrums 5 grādi/s nodrošina ΔT_wall vērtības par ~40% zemāku nekā 25 grādi/s, kas aptuveni divkāršo termiskā noguruma ilgumu. Otrā izmaiņa ir darboties ar minimālu gaidstāves temperatūru, nevis atļaut pilnīgu dzesēšanu līdz apkārtējai videi. Sildītājam, kas darbojas no 150 grādiem līdz 250 grādiem, nevis no 20 grādiem līdz 250 grādiem, ΔT_siena tiek samazināta par 70%, kas noved pie noguruma kalpošanas ilguma 5 līdz 10 reizes. Trešā izmaiņa ir pieprasīt pēc-sprieguma mazināšanas atlaidināšanu. atkvēlināšana mazina izdevīgos spiedes atlikušos spriegumus ārējā virsmā, bet mazina stiepes atlikušos spriegumus uz iekšējās virsmas, kas var veicināt lūzumu veidošanos. Atkvēlināta 1,8 mm apvalka termiskā noguruma kalpošanas laiks ir par aptuveni 20–30% lielāks nekā -savienotam 1,8 mm apvalkam. Labākais un vienkāršākais veids, kā sasniegt ilgu termiskā noguruma kalpošanas laiku lielākajai daļai ciklisku gaisa sildīšanas lietojumu, ir izmantot 316 apvalku, kura biezums ir 1,2 mm vai plānāks. 1,2 mm biezas sienas siltuma rādītāji ir labāki, un tās mehāniskā izturība ir pietiekama zema spiediena gaisa sistēmām. Inženieri, kuri refleksīvi pieprasa lielākas sienas, lai nodrošinātu "izturību" gaisa sildīšanas servisā, nejauši izvēlas sistēmu, kas salūst ātrāk. Lai iegūtu pareizo specifikāciju, jums jāsaprot, ka plānākas sienas nav mazāk izturīgas termiskajā ciklā. Iesniedzot prasības sildītāju ražotājiem, vienmēr norādiet paredzamo termisko ciklu skaitu un vēlamo rampas ātrumu. Eksperts ciklisko gaisa sildītāju izgatavotājs noteiks sienu biezumu, kas piemērots šiem faktoriem, nevis vispārīgiem mehāniskās izturības noteikumiem.