Hvordan er en 1,0 millimeter 316 rustfri stålkappe sammenlignet med en 2,0 millimeter kappe for å forhindre tørr-forbrenningsskade under utilsiktet tap av væskedekning i vertikale nedsenkningsvarmere?

Utilsiktet tap av væskedekning-tørr-forbrenning er en av de mest utbredte og katastrofale feilårsakene for vertikale nedsenkningsvarmere installert i tanker, sumper og prosessbeholdere for anleggssikkerhetsingeniører og utstyrspesifiserere. Når væskenivået faller under det oppvarmede området av kappen, spres nå varmen som leveres til væsken i kappen og motstandstråden. Rask temperaturøkning resulterer i oksidasjon av ledningen, nedbrytning av MgO-isolasjon og til slutt brudd på kappen eller elektrisk feil. Veggtykkelsen til 316 rustfritt stålkappe er en viktig parameter i tiden til skade og den høyeste temperaturen i en tørr-forbrenning. Denne artikkelen presenterer en kvantitativ sammenligning av tørr-forbrenningsytelse for 1,0 mm og 2,0 mm veggkapper under like kraft- og eksponeringsinnstillinger for anbefalinger for risikoreduksjon i kritiske applikasjoner.

Termisk respons på tørr-forbrenningstilstand som en funksjon av veggtykkelse
Hvis den vertikale el-varmeren -nedsenkes med væske, vil varmeoverføringskoeffisienten ved kappeoverflaten synke fra ca. 5000-10.000 W/m2-K i kokende vann eller 500-1.000 W/m2-K i omrørt luft/luftolje til ca. 50-20m. Denne 100-doblingen krever at kappens overflatetemperatur øker betraktelig for å spre den samme varmefluksen. 10 W/cm2 (100 000 W/m2) varmeren i luft med naturlig konveksjonskoeffisient på 50 W/m2-K, jevn overflatetemperatur vil være 100 000/{0000-grad over smeltepunktet langt over, 316 rustfritt stål. I virkeligheten når varmeren aldri likevekt. I stedet varmes den opp til motstandsledningen ryker eller en termisk avskjæring slår inn. Den termiske massen til kappen og de indre delene styrer hastigheten på temperaturstigningen ved tørrbrenning. 1,0 mm veggkappen har nesten halvparten av den termiske massen per arealenhet av 2,0 mm kappen. Derfor øker temperaturen omtrent dobbelt så raskt i de første sekundene av tørrbrenning. Eksperimentelle data for 10 mm OD-kapper ved 10 W/cm2 i stilleluft indikerer at en 1,0 mm vegg oppnår 400 grader på utsiden på 8 sekunder, mens en 2,0 mm vegg krever 16 sekunder for å nå 400 grader. Den 2,0 mm kappen holder imidlertid mer varme og holder seg derfor over kritiske temperaturer lenger når strømmen fjernes.

Sammenligning av maksimal temperatur og tid til feil
Den kritiske feiltemperaturen til en 316-innkapslet varmeovn styres av oksidasjonsgrensen for den interne nikkel-krommotstandstråden, omtrent 800-850 grader for kontinuerlig drift. Takket være MgO-isolasjonslaget er temperaturen på tråden under tørr-brenning rundt 50-100 grader høyere enn temperaturen på den indre overflaten av kappen. Trådtemperaturen når 800 grader og den raske oksidasjonen begynner ved 700 grader på den indre kappeoverflaten. Tiden for å oppnå denne terskelen er en funksjon av veggtykkelsen. For en 1,0 mm vegg når den indre overflaten av kappen 700 o C etter ca. 25 sekunder ved 10 W/cm 2 i stille luft. Den totale tiden for å åpne kretsfeil på ledningen er omtrent 35-45 sekunder. Under de samme forholdene, men med en veggtykkelse på 2,0 mm, når den indre kappeoverflaten 700 grader etter rundt 55 sek og trådbrudd oppstår mellom 75 og 90 sek. Overlevelsestiden for tørrforbrenning er 2 til 2,5 ganger lengre med det tykkere belegget. Denne forskjellen er ganske viktig for applikasjoner der responsen til en termisk avskjæring eller nivåbryter kan ta flere sekunder. En 1,0 mm kappe kan svikte før en treg reagerende mekanisk termostat kan åpne, der en 2,0 mm kappe har nok termisk treghet til å bygge bro over reaksjonstiden.

Sammenligning av tørr-Burn Survival Matrix
Tabellen nedenfor gir en direkte sammenligning av 1,0 mm og 2,0 mm 316 kappeytelse for tørre-forbrenninger ved forskjellige driftsinnstillinger. Verdier antyder vertikal el-varmer i stillestående luft etter tap av væske, og ingen aktiv kjøling eller tvungen konveksjon.

Watttetthet Tørr-Brenndrift Skjermveggtykkelse Tid til ytre overflate ved 400 grader Tid til indre overflate ved 700 grader Total tid til ledningsfeil Anbefalt beskyttelsesstrategi
5 W/cm2 1.0 mm 12 sekunder 40 sekunder 55 – 70 sekunder Hurtigvirkende termisk avskjæring ( < 30 sekunder )
5 W/cm² 2,0 mm 24 sekunder 85 sekunder 110 - 140 sekunder Standard termisk cutoff akseptabel 10 W/cm² 1,0 mm 8 sekunder 25 sekunder 35 - 45 sekunder Elektronisk nivåbryter 5 sekunders respons nødvendig
10 W/cm2 2.0 mm 16 sek. 55 sek. 75 – 90 sek. Standard termisk avskjæring eller nivåbryter akseptabel 15 W/cm2 1.0 mm 5 sek. 16 sek. 22 – 30 sek. Overflødig beskyttelse obligatorisk; høy risiko 15 W/cm2 2.0 mm 11 sek. 38 sek. 50 – 65 sek. Rask termisk avskjæring anbefales 20 W/cm2 1.0 mm 4 sek. 12 sek. 17 – 22 sek. Ikke anbefalt, all beskyttelse vil sannsynligvis være for treg
20 W/cm² 2,0 mm 8 sek 28 sek 40 – 50 sek2 andre reaksjon elektronisk beskyttelse nødvendig
For applikasjoner med watttettheter større enn 15 W/cm 2 og for tynne vegger mindre enn 1,2 mm, er tørr-forbrenningsoverlevelsestiden så kort at bare elektronisk beskyttelse med sub-sekunders respons kan forhindre skade, for eksempel et termoelement implantert i kappen knyttet til et fast-relé. Mekaniske termostater og termiske sikringer har responstider på 5-15 sekunder som er godt utenfor det vinduet for overlevelse.

Designendringer for å øke tørr-forbrenningstoleransen
Tre designendringer kan øke overlevelsestiden der den termiske responsen krever en tynnvegget 316 kappe, men det er fare for tørr forbrenning. Den beste og enkleste måten er å legge til en separat lavvannsbryter som vil slå av strømmen når væskenivået faller under den oppvarmede delen. En konduktivitetssonde eller flottørbryter, plassert på minimum væskenivå, gir beskyttelse før varmeren blir utsatt. Den andre endringen er å senke watttettheten i den øvre delen av varmeren. En avtagende watttetthetsdesign - mindre strøm per lengdeenhet øverst der eksponeringen er mest sannsynlig - forbedrer tørr-forbrenningsoverlevelse uten å ofre total varmeeffekt. Den siste endringen er å plassere et termoelement direkte på innsiden av 316-hylsteret. Denne sensoren kan oppdage en rask temperaturøkning ved tørr-forbrenning på 1-2 sekunder, slik at et kontrollsystem kan slå av strømmen før ledningen når en kritisk temperatur. Dette er den typiske måten varmeovner med høy pålitelighet i viktige operasjoner implementeres på. For de fleste industrielle bruksområder vil en 2,0 mm veggkappe gi en enkel og holdbar beskyttelse mot tørr{18}}forbrenning. Den økte overlevelsesperioden gjør at de vanlige beskyttelsessystemene kan fungere konsekvent, og den tykkere veggen kan overleve sporadiske korte tørre{20}}forbrenningshendelser uten permanent skade. Ingeniører bør kreve en bestemt sikker veggtykkelse fra produsenten og bør beskrive reaksjonstiden for tørr-forbrenningsbeskyttelse som forventes. Hvis en leverandør ikke kan gi denne studien, kan det hende de ikke helt forstår den termiske dynamikken til omstendigheter med tørr{27}}forbrenning. Kostnaden for å øke veggtykkelsen fra 1,0 mm til 2,0 mm er liten sammenlignet med kostnadene ved varmefeil som fører til produksjonsstans eller brannfare på grunn av overoppheting av materialer. Hvis du er usikker, gå for den tykkere veggen og betal den mindre straffen i varmeeffektivitet for seigheten til tørrforbrenningen.