Miten 1,0 millimetrin ruostumattomasta teräksestä valmistettu 316-suojus verrataan 2,0 millimetrin vaippaan kuivumisen estämisessä{3}}, kun nestepeitto katoaa vahingossa pystysuorassa uppolämmittimessä?

Vahingossa tapahtuva nestepeittokyvyn menetys-kuiva-palovamma on yksi yleisimmistä ja katastrofaalisimmista häiriösyistä säiliöihin, säiliöihin ja prosessisäiliöihin asennettujen pystysuorien uppolämmittimien vaurioitumiseen laitosten turvallisuusinsinööreille ja laitesuunnittelijoille. Kun nesteen taso laskee vaipan lämmitetyn alueen alapuolelle, nesteeseen toimitettu lämpö haihtuu nyt vaipassa ja vastuslangassa. Nopea lämpötilan nousu johtaa langan hapettumiseen, MgO-eristeen heikkenemiseen ja lopulta vaipan repeytymiseen tai sähkövikaan. 316 ruostumattoman teräsvaipan seinämän paksuus on tärkeä parametri vaurioitumisajan ja korkeimman lämpötilan kannalta kuivassa-palotapahtumassa. Tämä artikkeli esittää kvantitatiivisen vertailun kuiva{8}}palotehosta 1,0 mm:n ja 2,0 mm:n seinävaippoihin samalla teho- ja altistusasetuksella riskinhallintasuositusten vuoksi kriittisissä sovelluksissa.

Lämpövaste kuivalle{0}}palotilalle seinän paksuuden funktiona
Jos pystysuora sähkövastus uppoaa nesteeseen, lämmönsiirtokerroin vaipan pinnalla laskee arvosta noin 5 000-10 000 W/m2-K kiehuvassa vedessä tai 500-1 000 W/m2-K noin 0 000 W/m2-1 K sekoitetussa ilmassa. Tämä 100-kertainen vähennys vaatii vaipan pinnan lämpötilan nousevan huomattavasti, jotta se hajottaa saman lämpövirran . 10 W/cm2 (100 000 W/m2) lämmittimen ilmaan luonnollisella konvektiokertoimella 50 W/m2-K, vakaan tilan pintalämpötila olisi 100 000/0 sulamispiste yli {000}. 316 ruostumatonta terästä. Todellisuudessa lämmitin ei koskaan saavuta tasapainoa. Sen sijaan se lämpenee, kunnes vastuslanka katkeaa tai lämpökatkaisu käynnistyy. Vaipan ja sisäosien lämpömassa säätelee lämpötilan nousun nopeutta kuivapoltossa. 1,0 mm:n seinävaipan lämpömassa on pinta-alayksikköä kohti lähes puolet 2,0 mm:n vaipan lämpömassasta. Siksi sen lämpötila nousee noin kaksi kertaa nopeammin kuivapolton ensimmäisten sekuntien aikana. Kokeelliset tiedot 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan 10 W/cm2:llä tyynessä ilmassa osoittavat, että 1,0 mm:n seinä saavuttaa 400 asteen ulkopinnalla 8 sekunnissa, kun taas 2,0 mm:n seinä vaatii 16 sekuntia saavuttaakseen 400 asteen kulman. 2,0 mm:n vaippa pitää kuitenkin enemmän lämpöä ja pysyy siten kriittisten lämpötilojen yläpuolella pidempään, kun virta katkaistaan.

Maksimilämpötilan ja epäonnistumiseen kuluvan ajan vertailu
316 koteloidun lämmittimen kriittistä vikalämpötilaa säätelee sisäisen nikkeli-kromivastuslangan hapettumisraja, noin 800-850 astetta jatkuvassa käytössä. MgO-eristyskerroksen ansiosta langan lämpötila kuiva{25}palamisen aikana on noin 50-100 astetta korkeampi kuin vaipan sisäpinnan lämpötila. Langan lämpötila osuu 800 asteeseen ja nopea hapettuminen alkaa 700 asteessa vaipan sisäpinnalla. Aika tämän kynnyksen saavuttamiseen on seinämän paksuuden funktio. 1,0 mm seinällä vaipan sisäpinta saavuttaa 700 o C noin 25 sekunnissa 10 W/cm 2 tyynessä ilmassa. Kokonaisaika johdon avauspiirin katkeamiseen on noin 35-45 sekuntia. Samoissa olosuhteissa, mutta seinämän paksuudella 2,0 mm, sisävaipan pinta saavuttaa 700 asteen noin 55 sekunnin kuluttua ja langan katkeaminen tapahtuu 75 - 90 sekunnissa. Kuivapolton säilymisaika on 2-2,5 kertaa pidempi paksummalla päällysteellä. Tämä ero on varsin tärkeä sovelluksissa, joissa lämpökatkaisun tai tasokytkimen reagointi voi kestää useita sekunteja. 1,0 mm:n vaippa voi pettää ennen kuin hitaasti reagoiva mekaaninen termostaatti voi avautua, kun 2,0 mm:n vaipalla on tarpeeksi lämpöinertiaa reaktioajan ylitse.

Dry{0}}Burn Survival Matrixin vertailu
Alla oleva taulukko antaa suoran vertailun 1,0 mm:n ja 2,0 mm:n 316-vaipan suorituskyvystä kuivissa-palovammoissa eri käyttöasetuksissa. Arvot tarkoittavat pystysuoraa uppolämmitintä tyynessä ilmassa nesteen häviämisen jälkeen, eikä aktiivista jäähdytystä tai pakotettua konvektiota.

Wattitiheys Kuiva-Palo Käyttövaipan seinämän paksuus Aika ulkopinnalle 400 asteessa Aika sisäpintaan 700 asteessa Kokonaisaika johtovikaan Suositeltu suojausstrategia
5 W/cm2 1.0 mm 12 sekuntia 40 sekuntia 55 – 70 sekuntia Nopeasti toimiva lämpökatkaisu (< 30 sekuntia)
5 W/cm² 2,0 mm 24 sekuntia 85 sekuntia 110 - 140 sekuntia Normaali lämpöraja hyväksyttävä 10 W/cm² 1,0 mm 8 sekuntia 25 sekuntia 35 - 45 sekuntia Elektroninen tasokytkin 5 sekunnin vaste vaaditaan
10 W/cm2 2.0 mm 16 s. 55 s. 75 – 90 s. Normaali lämpökatkaisu tai tasokytkin hyväksyttävä 15 W/cm2 1.0 mm 5 s. 16 s. 22 – 30 s. Redundantti suojaus pakollinen; suuri riski 15 W/cm2 2.0 mm 11 s. 38 s. 50 – 65 s. Nopea lämpökatkaisu suositeltu 20 W/cm2 1.0 mm 4 s. 12 s. 17 – 22 s. Ei suositella, mikään suojaus on todennäköisesti liian hidas
20 W/cm² 2,0 mm 8 s 28 s 40 - 50 s 2 toisen reaktion elektroninen suojaus tarvitaan
Sovelluksissa, joiden wattitiheys on suurempi kuin 15 W/cm 2 ja ohuissa seinissä alle 1,2 mm, kuiva-paloaika on niin lyhyt, että vain elektroninen suojaus, jossa on alle -vaste, voi estää vaurioita, kuten lämpöpari, joka on istutettu vaippaan yhdistettynä puolijohdereleen. Mekaanisten termostaattien ja lämpösulakkeiden vasteajat ovat 5-15 sekuntia, mikä on selvästi eloonjäämisikkunan ulkopuolella.

Suunnittelumuutokset kuiva{0}}palonsietokyvyn lisäämiseksi
Kolme rakennemuutosta voivat pidentää selviytymisaikaa, kun lämpövaste vaatii ohutseinämäisen 316-suojuksen, mutta kuivapalovamman vaara on olemassa. Paras ja helpoin tapa on lisätä erillinen vesikatkaisu, joka katkaisee sähkön, kun nestepinta laskee lämmitettävän osan alapuolelle. Johtavuusanturi tai uimurikytkin, joka sijaitsee nesteen vähimmäistasolla, suojaa ennen lämmittimen paljastumista. Toinen muutos on alentaa wattitiheyttä lämmittimen yläosassa. Kapenevan wattitiheyden rakenne - vähemmän tehoa pituusyksikköä kohti yläosassa, jossa altistuminen on todennäköisimmin - pidentää kuiva-paloaikaa tinkimättä lämmittimen kokonaistehosta. Viimeinen muutos on sijoittaa termopari suoraan 316-suojuksen sisäpinnalle. Tämä anturi voi havaita nopean lämpötilan nousun kuiva{11}}palamisesta 1-2 sekunnissa, joten ohjausjärjestelmä voi katkaista virran ennen kuin johto saavuttaa kriittisen lämpötilan. Tämä on tyypillinen tapa, jolla erittäin luotettavat lämmittimet toteutetaan tärkeissä toiminnoissa. Useimmissa teollisissa sovelluksissa 2,0 mm:n seinävaippa antaa yksinkertaisen ja kestävän suojan kuivalta -palolta. Pidentynyt eloonjäämisaika mahdollistaa tavanomaisten suojajärjestelmien jatkuvan toiminnan ja paksumman seinän selviytymisen satunnaisista lyhyistä kuivista -palovammoista ilman pysyviä vaurioita. Insinöörien tulee vaatia valmistajalta määritetty turvallinen seinämän paksuus ja kuvata kuiva{22}}palosuojan odotettu reaktioaika. Jos toimittaja ei voi antaa tätä tutkimusta, hän ei välttämättä ymmärrä täysin kuivan palamisen lämpödynamiikkaa. Seinäpaksuuden lisääminen 1,0 mm:stä 2,0 mm:iin on pieni verrattuna kustannuksiin, jotka aiheutuvat lämmittimen toimintahäiriöstä, joka johtaa tuotannon pysäyttämiseen tai tulipalon vaaraan materiaalien ylikuumenemisen vuoksi. Jos olet epävarma, valitse paksumpi seinä ja maksa lämpötehokkuudesta pieni sakko kuivapolton sitkeydestä.