Hvordan kan en 1,0 millimeter 316 rustfri stålkappe sammenlignes med en 2,0 millimeter kappe for at forhindre tør-forbrændingsskader under utilsigtet tab af væskedækning i vertikale dyppevarmere?
Læg en besked
Utilsigtet tab af væskedækning-tør-forbrænding er en af de mest udbredte og katastrofale fejlårsager for lodrette dykvarmere installeret i tanke, sumpe og procesbeholdere for anlægssikkerhedsingeniører og udstyrsspecifikationer. Når væskeniveauet falder under det opvarmede område af kappen, spredes den varme, der leveres til væsken, i kappen og modstandstråden. Hurtig temperaturstigning resulterer i oxidation af ledningen, nedbrydning af MgO-isolering og til sidst brud på kappen eller elektrisk fejl. Vægtykkelsen af 316 rustfri stålkappen er en vigtig parameter i tiden til skade og den højeste temperatur i en tør-forbrænding. Denne artikel præsenterer en kvantitativ sammenligning af tør-forbrændingsydelse for 1,0 mm og 2,0 mm vægskeder under ens effekt- og eksponeringsindstillinger for anbefalinger til risikoreduktion i kritiske applikationer.
Termisk reaktion på tør-forbrændingstilstand som en funktion af vægtykkelse
Hvis den lodrette dykvarmer de-nedsænkes med væske, vil varmeoverførselskoefficienten ved kappeoverfladen falde fra ca. 5.000-10.000 W/m2-K i kogende vand eller 500-1.000 W/m2-K i omrørt luft/omrørt olie til ca. W/50-20m. Denne 100-dobbelte reduktion kræver, at kappeoverfladetemperaturen stiger betydeligt for at sprede den samme varmeflux. 10 W/cm2 (100.000 W/m2) varmelegeme i luft med naturlig konvektionskoefficient på 50 W/m2-K, konstant overfladetemperatur ville være 100.000/{0000-grad over smeltepunktet langt over, 316 rustfrit stål. I virkeligheden når varmelegemet aldrig ligevægt. I stedet opvarmes den, indtil modstandsledningen knækker, eller en termisk afskæring sætter ind. Den termiske masse af kappen og de indre dele styrer hastigheden af temperaturstigningen ved tørforbrænding. 1,0 mm vægkappen har næsten halvdelen af den termiske masse pr. arealenhed af 2,0 mm kappen. Derfor stiger dens temperatur omkring dobbelt så hurtigt i de første sekunder af tørforbrænding. Eksperimentelle data for 10 mm OD-skeder ved 10 W/cm2 i stillestående luft indikerer, at en 1,0 mm væg opnår 400 grader på ydersiden på 8 sekunder, hvorimod en 2,0 mm væg kræver 16 sekunder for at nå 400 grader. Den 2,0 mm kappe holder dog mere varme og holder sig derfor længere over kritiske temperaturer, når strømmen afbrydes.
Sammenligning af maksimal temperatur og tid til fejl
Den kritiske fejltemperatur for et 316-indkapslet varmelegeme er styret af oxidationsgrænsen for den interne nikkel-chrommodstandstråd, ca. 800-850 grader for kontinuerlig drift. Takket være MgO-isoleringslaget er ledningens temperatur under tør-brænding omkring 50-100 grader højere end temperaturen på den indre overflade af kappen. Trådtemperaturen rammer 800 grader og den hurtige oxidation begynder ved 700 grader på den indre kappeoverflade. Tiden til at nå denne tærskel er en funktion af vægtykkelsen. For en 1,0 mm væg når den indvendige overflade af kappen 700 o C efter ca. 25 sekunder ved 10 W/cm 2 i stillestående luft. Den samlede tid til at åbne kredsløbsfejl i ledningen er omkring 35-45 sekunder. Under de samme forhold, men med en vægtykkelse på 2,0 mm, når den indvendige kappeoverflade 700 grader efter ca. 55 sek. og ledningsfejl opstår mellem 75 og 90 sek. Overlevelsestiden for tørforbrænding er 2 til 2,5 gange længere med den tykkere belægning. Denne skelnen er ret vigtig for applikationer, hvor responsen af en termisk afbrydelse eller niveaukontakt kan tage flere sekunder. En 1,0 mm kappe kan svigte, før en langsomt reagerende mekanisk termostat kan åbne, hvor en 2,0 mm kappe har tilstrækkelig termisk inerti til at bygge bro over reaktionstiden.
Sammenligning af tør-forbrændingsoverlevelsesmatrix
Tabellen nedenfor giver en direkte sammenligning af 1,0 mm og 2,0 mm 316 kappeydelse for tørre-forbrændinger ved forskellige driftsindstillinger. Værdier indebærer lodret elpatron i stillestående luft efter tab af væske og ingen aktiv køling eller tvungen konvektion.
Watt-tæthed Tør-BrændingsdriftSheath Vægtykkelse Tid til ydre overflade ved 400 grader Tid til indre overflade ved 700 grader Samlet tid til ledningsfejl Anbefalet beskyttelsesstrategi
5 W/cm2 1.0 mm 12 sekunder 40 sekunder 55 – 70 sekunder Hurtigt virkende termisk afbrydelse ( < 30 sekunder )
5 W/cm² 2,0 mm 24 sekunder 85 sekunder 110 - 140 sekunder Standard termisk afskæring acceptabel 10 W/cm² 1,0 mm 8 sekunder 25 sekunder 35 - 45 sekunder Elektronisk niveauafbryder 5 sekunders reaktion nødvendig
10 W/cm2 2.0 mm 16 sek. 55 sek. 75 – 90 sek. Standard termisk afbrydelse eller niveauafbryder acceptabel 15 W/cm2 1.0 mm 5 sek. 16 sek. 22 – 30 sek. Overflødig beskyttelse obligatorisk; høj risiko 15 W/cm2 2.0 mm 11 sek. 38 sek. 50 – 65 sek. Hurtig termisk afskæring anbefales 20 W/cm2 1.0 mm 4 sek. 12 sek. 17 – 22 sek. Det anbefales ikke, enhver beskyttelse vil sandsynligvis være for langsom
20 W/cm² 2,0 mm 8 sek 28 sek 40 – 50 sek2 anden reaktion elektronisk beskyttelse påkrævet
For applikationer med watt-densiteter større end 15 W/cm 2 og for tynde vægge mindre end 1,2 mm er den tørre-forbrændingsoverlevelsestid så kort, at kun elektronisk beskyttelse med sub-sekundsrespons kan forhindre skader, såsom et termoelement, der er implanteret i kappen forbundet med et fast-relæ. Mekaniske termostater og termiske sikringer har responstider på 5-15 sekunder, hvilket er et godt stykke uden for det vindue for overlevelse.
Designændringer for at øge tør-forbrændingstolerance
Tre designændringer kan øge overlevelsestiden, hvor den termiske respons kræver en tyndvægget 316 kappe, men alligevel er der risiko for tør forbrænding. Den bedste og nemmeste måde er at tilføje en separat lavvandsspærre, der slukker for elektriciteten, når væskeniveauet falder under den opvarmede del. En konduktivitetssonde eller svømmerafbryder, der er placeret på minimum væskeniveau, giver beskyttelse, før varmeren udsættes. Den anden ændring er at sænke watt-tætheden i den øverste del af varmeren. Et aftagende watt-tæthedsdesign - mindre strøm pr. længdeenhed øverst, hvor eksponering er højst sandsynligt - forbedrer tør-forbrændingsoverlevelsestid uden at ofre den samlede varmeeffekt. Den sidste ændring er at placere et termoelement direkte på indersiden af 316-kappen. Denne sensor kan registrere en hurtig temperaturstigning ved tør-brænding på 1-2 sekunder, så et kontrolsystem kan slukke for strømmen, før ledningen når en kritisk temperatur. Dette er den typiske måde, hvorpå varmeapparater med høj pålidelighed i vigtige operationer implementeres. Til de fleste industrielle applikationer vil en 2,0 mm vægkappe give en enkel og holdbar beskyttelse mod tør-forbrænding. Den øgede overlevelsesperiode gør det muligt for de almindelige beskyttelsessystemer at arbejde konsekvent, og den tykkere væg til at overleve lejlighedsvise korte tørre{20}}forbrændinger uden nogen permanent skade. Ingeniører bør kræve en bestemt sikker vægtykkelse fra producenten og bør beskrive den forventede reaktionstid for tør-forbrændingsbeskyttelse. Hvis en leverandør ikke kan give denne undersøgelse, forstår de muligvis ikke fuldstændigt den termiske dynamik ved tør{27}}forbrændingsforhold. Omkostningerne ved at øge vægtykkelsen fra 1,0 mm til 2,0 mm er små sammenlignet med omkostningerne ved varmesvigt, der fører til nedlukning af produktionen eller brandfare på grund af overophedning af materialer. Hvis du er usikker, så gå efter den tykkere væg og betal den mindre bøde i varmeeffektivitet for hårdheden af tørforbrændingen.
