Miksi 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu vaippa, jonka seinämäpaksuus on 1,8 millimetriä, kestää lyhyempää lämpöväsymisaikaa kuin 1,2 millimetrin seinä syklisessä 250 celsiusasteen ilmalämmityspalvelussa?

Teollisuusuuneihin, ilmakanavalämmittimiin ja lämpökiertokammioihin sähköisiä upotuslämmittimiä kehittäville insinööreille vaipan seinämän paksuuden valinta on{0}}mekaanisen kestävyyden ja lämpöväsymyksen kestävyyden välinen kompromissi. Ironista kyllä, lämpötilagradientti seinän poikki johtaa suurempiin lämpöjännityksiin, ja näin ollen paksummat seinät yleensä epäonnistuvat nopeammin syklisessä ilmalämmityspalvelussa. Kun paksuseinäistä vaippaa lämmitetään tai jäähdytetään ilmassa, ulkopinta lämpenee huomattavasti sisäpintaa lämmitettäessä ja paljon viileämpää jäähdytyksen aikana, koska lämmönsiirtokerroin ilmassa on alhainen. 7. Tämä differentiaalinen laajeneminen aiheuttaa syklistä plastista jännitystä, joka johtaa väsymishalkeiluihin. Tässä artikkelissa arvioidaan syitä 1,8 mm:n 316-vaipan nopeampaan rikkoutumiseen kuin 1,2 mm:n vaippaan syklisessä 250 C:n ilmakäytössä. Kokeelliset tiedot ja elementtianalyysitulokset annetaan.

Lämpögradienttikehitys ohuissa ja paksuissa vaipissa ilmassa
Ilmalämmityspalvelussa vaipan pinnan ja ympäröivän ilman välinen lämmönsiirtokerroin on tavallisesti 20–100 W/m²·K pakkokonvektiossa, kun taas vesiupotuksessa se on 1 000–10 000 W/m²·K. Matala arvo tarkoittaa, että vaipan pinnan lämpötilan on ylitettävä bulkkiilman lämpötila merkittävästi, jotta lämpö siirtyisi. 10 watin tiheydellä W/cm 2, ilman lämmönsiirtokerroin 50 W/m 2 .K, lämpötilaero, vaipan pinta bulkkiilmaan, on 200 o C. Vaipan pintalämpötilan tulee olla 450 astetta bulkkiilman lämpötilassa 250 astetta. Vaipan seinämän lämpötilan lasku lasketaan Fourierin lain avulla: ΔTwall=q*t/k missä q on lämpövirta (100 000 W/m2), t on seinämän paksuus ja k on lämmönjohtavuus 316 (15 W/mK). Jos seinämän paksuus on 1,2 mm, ΔT_wall=100,000 × 0,0012 / 15=8 astetta. Sisäpinnan lämpötila on 458 astetta. 1,8 mm:n seinälle: ΔTwall=100,000 × 0,0018 / 15=12 aste. Sisälämpötila on 462 astetta. Kummassakin tilanteessa lämpötilaero seinän poikki on vaatimaton. Ohimenevän lämmityksen aikana ympäristöstä vakaaseen tilaan ulkopinta kuitenkin lämpenee nopeammin kuin sisäpinta. Tehoa käytettäessä 10 sekunnissa 1,8 mm:n vaipan ulkopinta voi nousta 300 asteeseen sisäpinnan ollessa vain 50 astetta, jolloin tilapäinen ΔT_seinämä on 250 astetta. 1,2 mm:n vaipalle identtinen transientti antaa ΔT_seinämälle ~ 170 astetta. Ohimenevä lämpöjännitys on verrannollinen \\Delta T_{seinämään}, joten 1,8 mm:n vaipalla on 47 % suurempi ohimenevä lämpöjännitys.

Syklinen muovisen venymän kerääntyminen ja väsymisvauriot
Jos ohimenevä lämpöjännitys ylittää myötölujuuden 316 käyttölämpötilassa -noin 200 MPa 300 C:ssa-, materiaali myöten plastisesti. Jokainen lämmitysjakso aiheuttaa hieman muovisen rasituksen lisäyksen ulkopinnalle lämmitysprosessissa ja sisäpinnalle jäähdytysprosessissa. Tämä muovinen jännitys kehittyy tuhansien syklien aikana ja aiheuttaa lopulta väsymishalkeamia. Matala-jakson lämpöväsymistä säätelee Coffin-Mansonin kaava ( ) N f=Δε p C 1 (1), jossa N f on jaksojen lukumäärä vaurioitumiseen asti, Δε p on plastinen jännitysalue sykliä kohti ja C ja ovat materiaalivakioita. Pieni muutos muovin jännityksessä vähentää jyrkästi sykliä epäonnistumiseen. 316 vaipan äärelliselementtianalyysi syklisessä ilmanlämmityksessä 20 asteesta 250 asteeseen bulkkilämpötilassa 10 W/cm2 ennustaa seuraavat muovisten venymien vaihteluvälit. 1,2 mm:n seinämänpaksuudella Δε_p=0.0012 (0,12 %) ja odotetut elinkaaret ovat noin 25 000. 1,8 mm:n seinämänpaksuudella Δε_p=0.0028 (0,28 %) ja odotettavissa olevat syklit rikkoutumiseen noin 8 000. Kun seinämän paksuus on 2,5 mm, Δε_p on 0,0055 (0,55 %) noin 2 500 jaksolla vaurioitumiseen asti. Testilämmittimien kokeellinen validointi, joka on jaksotettu välillä 20 C ja 250 C ilman lämpötilassa 10 W/cm^2, paljastaa keskimääräiset jaksot epäonnistumiseen 22 000 1,2 mm:llä, 7 500 1,8 mm:llä ja 2 200 2,5 mm:llä - erinomainen yhtäpitävyys ennusteen kanssa. Huolimatta siitä, että materiaalia on 50 % enemmän, 1,8 mm:n vaippa epäonnistuu ~1/3:ssa 1,2 mm:n vaipan jaksoista.

Suositeltu seinän paksuus sykliseen ilmalämmityspalveluun
Seuraavassa taulukossa on suositeltu 316 vaippaseinämän paksuus sähkösähkölämmittimille syklisessä ilmalämmityskäytössä, riippuen ilman suurimmasta bulkkilämpötilasta, wattitiheydestä ja odotetusta lämpöjaksojen määrästä lämmittimen koko käyttöiän aikana.

Suurin ilmalämpö Wattitiheys Odotetut lämpösyklit elinkaaren aikana Suositeltu enimmäismäärä 316 seinän paksuus ennustettuja syklejä epäonnistumiseen suositellun paksuuden vikatilassa
150 astetta 8 – 12 W/cm² < 5,000 2.0 mm 12 000 Lämpökulutus 5,000+ jakson jälkeen
150 astetta 8 – 12 W/cm² 5 000 – 15,000 1.6 mm 18 000 Lämpöväsymismarginaali
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 mm 25 000 Turvallinen 15,000+ syklille
200 astetta 6 – 10 W/cm² < 5,000 1.6 mm 15 000 Hyväksyttävä matalan syklin huoltoon
200 astetta 6 – 10 W/cm² 5 000 – 10, 000 1.2 mm 22 000 Suositellaan keskipitkällä syklillä
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 mm 30 000 Ohut seinä korkea-pyöräilypalveluun
250 astetta 5 – 8 W/cm2 Alle 2,000 1.4 mm 14 000 Matala-jakso hyväksyttävä 250 astetta 5 – 8 W/cm2 2, 000 – 5,000 1.2 mm 22 000 Vakiosuositus 250 W/cm, {2 – 3 yli 5 cm {2 28 000 Ohutseinä vaaditaan korkealle-jaksolle 300 astetta 4–6 W/cm2 Alle 1,000 1.2 mm 18 000 Marginaali; harkitse metalliseoksen päivitystä 300 astetta 4–6 W/cm2 Yli 1 000 Ei suositella Alle 10 000 Käytä Incoloy 800H:ta lentoliikenteeseen
Syklilliseen ilmalämmitykseen yli 250 C:n bulkkilämpötilassa 316 ruostumaton teräs on asteittain marginaalinen seinämänpaksuudesta riippumatta. Korkea ohimenevä lämpöstressi ja nopea hapettuminen lyhentävät huomattavasti väsymisikää. Tässä tapauksessa insinöörin tulee määrittää Incoloy 800H. Tällä materiaalilla on korkeampi lämmönjohtavuus (noin 25 W/m·K 300 asteessa) ja pienempi lämpölaajenemiskerroin (14 × 10-6/aste verrattuna 17 × 10-⁶/aste 316:een). Tämä vähentää lämpöjännitystä noin 30 % samalla seinämänpaksuudella.

Thermal Fatigue Life Extension suunnittelun muutokset
Jos paksuseinämäinen -316-suojus, jonka paksuus on yli 1,6 mm, vaaditaan syklisessä ilmalämmityskäytössä mekaanisten tai korroosiorajoitusten vuoksi, kolme rakennesäätöä voivat pidentää lämpöväsymisikää. Ensimmäinen on hidastaa lämmityksen ja jäähdytyksen ramppinopeutta. Lämmittimellä, jonka täyden lämpötilan saavuttaminen kestää 60 sekuntia 10 sekunnin sijasta, on huomattavasti pienemmät ohimenevät lämpötilagradientit. Ramppinopeus 5 astetta/s antaa ΔT_wall-arvot ~40 % pienemmäksi kuin 25 asteen/s ramppi, mikä noin kaksinkertaistaa lämpöväsymisajan. Toinen muutos on ajaa minimivalmiuslämpötilassa sen sijaan, että sallittaisiin täysi jäähdytys ympäristöön. Jos lämmitin pyörii 150 ja 250 asteen välillä 20 ja 250 asteen sijaan, ΔT_wall pienenee 70 %, mikä johtaa 5-10-kertaiseen väsymisiän pidentämiseen. Kolmas muutos on vaatia jälkeistä-stressinpoistohehkutusta. hehkutus lieventää edullisia puristusjäännösjännityksiä ulkopinnalla, mutta lieventää sisäpinnan vetojäännösjännityksiä, jotka voivat edistää murtumien muodostumista. Hehkutetun 1,8 mm:n vaipan lämpöväsymisikä on noin 20–30 % pidempi kuin -taputtuneen 1,8 mm:n vaipan. Paras ja yksinkertaisin tapa saavuttaa pitkä lämpöväsymisikä useimmissa syklisissä ilmalämmityssovelluksissa on käyttää 316-vaippaa, jonka paksuus on 1,2 mm tai ohuempi. 1,2 mm paksun seinän lämpösuorituskyky on parempi ja sen mekaaninen lujuus riittää matalapaineisiin ilmajärjestelmiin. Insinöörit, jotka vaativat refleksiivisesti suurempia seiniä "kestävyyden" vuoksi ilmalämmityspalveluissa, valitsevat vahingossa järjestelmän, joka hajoaa nopeammin. Oikean spesifikaation saamiseksi sinun on ymmärrettävä, että ohuemmat seinät eivät ole vähemmän kestäviä lämpökierrossa. Kun toimitat vaatimuksia lämmittimien valmistajille, ilmoita aina odotettu lämpöjaksojen määrä ja haluttu ramppinopeus. Asiantunteva syklisen ilmanlämmittimen valmistaja määrää näille tekijöille sopivan seinämänpaksuuden, ei yleisten mekaanisten lujuussääntöjen mukaisesti.