Miks on 1,8-millimeetrise seinapaksusega roostevabast terasest ümbris 316 lühem termilise väsimuse eluiga kui 1,2-millimeetrine sein tsüklilises 250-kraadises õhukütteteenuses?

Tööstuslike ahjude, õhukanalisoojendite ja termiliste tsüklikambrite jaoks elektrilisi sukelsoojendeid arendavate inseneride jaoks on ümbrise seina paksuse valik-kompromiss mehaanilise vastupidavuse ja termilise väsimuskindluse vahel. Irooniline on see, et temperatuurigradient üle seina põhjustab suuremaid termilisi pingeid ja seetõttu lähevad paksemad seinad tsüklilise õhukütteteenuse korral tavaliselt varem rikki. Paksuseinalise ümbrise õhu käes kuumutamisel või jahutamisel muutub välispind soojendamisel sisepinnast oluliselt kuumemaks ja jahutamisel palju jahedamaks, kuna soojusülekandetegur õhus on madal. 7. See diferentsiaalne paisumine kutsub esile tsüklilise plastilise deformatsiooni, mis põhjustab väsimuspragusid. Selles artiklis hinnatakse 1,8 mm 316 ümbrise kiirema rikke põhjuseid kui 1,2 mm ümbrise tsüklilises 250 °C õhurežiimis. Esitatakse katseandmed ja lõplike elementide analüüsi tulemused.

Termilise gradiendi areng õhukeses ja paksus kestas õhus
Õhkkütteteenuse puhul on soojusülekandetegur ümbrise pinna ja ümbritseva õhu vahel sundkonvektsiooni korral tavaliselt 20–100 W/m²·K, veesukelduse korral aga 1000–10 000 W/m²·K. Madal väärtus tähendab, et ümbrise pinna temperatuur peab soojuse ülekandmiseks oluliselt ületama puisteõhu temperatuuri. 10 vati tihedusega W/cm 2, õhu soojusülekandetegur 50 W/m 2 .K, temperatuuride erinevus, ümbrise pind puisteõhu suhtes on 200 o C. Mantli pinnatemperatuur peab olema 450 kraadi, kui puisteõhu temperatuur on 250 kraadi. Temperatuuri langus üle ümbrise seina arvutatakse Fourier' seaduse abil: ΔTwall=q*t/k kus q on soojusvoog (100 000 W/m2), t on seina paksus ja k on soojusjuhtivus 316 (15 W/mK). Seina paksusega 1,2 mm on ΔT_sein=100,000 × 0,0012 / 15=8 kraadi. Sisepinna temperatuur on 458 kraadi. 1,8 mm seina puhul: ΔTseina=100,000 × 0,0018 / 15=12 kraadi. Temperatuur sees on 462 kraadi. Mõlemal juhul on temperatuuride erinevus seina ulatuses tagasihoidlik. Ajutise kuumutamise ajal ümbritsevast keskkonnast püsiolekusse soojeneb välispind kiiremini kui sisepind. Jõu rakendamisel võib 1,8 mm kesta välispind ulatuda 10 sekundi jooksul 300 kraadini ja sisepind vaid 50 kraadini, mis annab ajutise ΔT_seina 250 kraadi. 1,2 mm ümbrise puhul annab identne transient ΔT_seina ~ 170 kraadi . Mööduv termiline pinge on võrdeline \\ Delta T_{wall}-ga, seetõttu on 1,8 mm ümbrisel 47% suurem mööduv termiline pinge.

Tsükliline plastilise deformatsiooni kogunemine ja väsimuskahjustused
Kui mööduv termiline pinge ületab voolavuspiiri 316 töötemperatuuril -umbes 200 MPa temperatuuril 300 C-, annab materjal plastiliselt järele. Iga kuumutustsükkel põhjustab kuumutamisel välispinnale ja jahutusprotsessis sisepinnale kerge plastilise pinge suurenemise. See plastiline tüvi areneb tuhandete tsüklite jooksul ja põhjustab lõpuks väsimuspragude tekkimist. Madala -tsükli termilist väsimust reguleerib Coffin-Mansoni valem ( ) N f=Δε p C 1 (1), kus N f on tsüklite arv kuni rikkeni, Δε p on plastiline deformatsioonivahemik tsükli kohta ja C ja on materjali konstandid. Väike muutus plastilises pinges vähendab drastiliselt tsükleid kuni rikkeni. 316 ümbrise lõplike elementide analüüs tsüklilises õhusoojenduses 20 kraadist 250 kraadini 10 W/cm2 juures ennustab järgmisi plastiliste deformatsioonide vahemikke. Seinapaksusega 1,2 mm on Δε_p=0.0012 (0,12%) ja eeldatav elutsükkel umbes 25 000. Seina paksuse 1,8 mm korral on Δε_p=0.0028 (0,28%) ja eeldatav tsükkel kuni rikkeni ligikaudu 8000. Seina paksuse 2,5 mm korral on Δε_p 0,0055 (0,55%) ligikaudu 2500 tsükliga kuni rikkeni. Katseküttekehade katseline valideerimine, mille õhutemperatuur on vahemikus 20 °C kuni 250 °C 10 W/cm22, näitas, et keskmised tsüklid kuni rikkeni on 1,2 mm puhul 22 000, 1,8 mm puhul 7500 ja 2,5 mm puhul 2200 - suurepärane ühtivus prognoosiga. Vaatamata 50% rohkemale materjalile ebaõnnestub 1,8 mm kest ~ 1/3 1,2 mm kesta tsüklitest.

Soovitatav seinapaksus tsüklilise õhkkütte teenuse jaoks
Järgmises tabelis on toodud tsüklilise õhukütterežiimiga elektriliste sukelsoojendite soovitatavad ümbrise seinapaksused 316, olenevalt maksimaalsest õhutemperatuurist, vattide tihedusest ja eeldatavast soojustsüklite arvust kogu küttekeha kasutusea jooksul.

Maksimaalne õhutemperatuur, vattihedus, eeldatav soojustsüklid eluea jooksul Soovitatav max 316 seina paksusega prognoositud tsüklid ebaõnnestumiseks soovitatava paksusega rikkerežiimis
150 kraadi 8–12 W/cm² < 5,000 2.0 mm 12 000 termiline ammendumine pärast 5,000+ tsüklit
150 kraadi 8–12 W/cm² 5000–15,000 1.6 mm 18 000 termiline väsimuspiir
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 mm 25 000 Seif 15,000+ tsükliks
200 kraadi 6–10 W/cm² < 5,000 1.6 mm 15 000 Aktsepteeritav madala-tsükliga teenuse jaoks
200 kraadi 6–10 W/cm² 5000–10,000 1.2 mm 22 000 Soovitatav keskmise tsükli jaoks
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 mm 30 000 Õhuke sein kõrge-tsükliteenuse jaoks
250 kraadi 5–8 W/cm2 Vähem kui 2,000 1.4 mm 14 000 Madal-tsükkel vastuvõetav 250 kraadi 5–8 W/cm2 2, 000–5,000 1.2 mm 22 000 Standardsoovitus 250 W/cm, {{2} üle 8 5 cm {2 Kõrg-tsükli jaoks vajalik õhuke sein 300 kraadi 4–6 W/cm2 Vähem kui 1,000 1.2 mm 18 000 piirväärtus; kaaluge sulami uuendamist 300 kraadi 4–6 W/cm2 Rohkem kui 1000Ei soovitata Alla 10 000 Kasutage lennuteeninduseks Incoloy 800H
Tsüklilise õhukütte puhul üle 250C puistetemperatuuril 316 on roostevaba teras järk-järgult marginaalne, sõltumata seina paksusest. Kõrge mööduv termiline stress ja kiire oksüdatsioon lühendavad oluliselt väsimuse eluiga. Sel juhul peaks insener määrama Incoloy 800H. Sellel materjalil on kõrgem soojusjuhtivus (ligikaudu 25 W/m·K 300 kraadi juures) ja madalam soojuspaisumise koefitsient (14 × 10⁻⁶ / kraad, 316 puhul 17 × 10⁻⁶ / kraad). See vähendab sama seinapaksuse korral termilist pinget ligikaudu 30%.

Termilise väsimuse eluea pikendamise disaini muudatused
Kui tsüklilise õhusoojenduse jaoks on mehaaniliste või korrosioonipiirangute tõttu vaja paksu -seinaga 316 kesta, mis ületab 1,6 mm, võivad kolm konstruktsiooni reguleerimist pikendada termilise väsimuse kasutusiga. Esimene on aeglustada kütte ja jahutamise kiirust. Küttekehal, millel kulub täistemperatuuri saavutamiseks 10 sekundi asemel 60 sekundit, on mööduvad temperatuurigradiendid oluliselt madalamad. Kaldtee kiirus 5 kraadi /s annab ΔT_seina väärtused ~40% madalamad kui kaldtee 25 kraadi /s, mis suurendab termilise väsimuse kasutusiga ligikaudu kahekordselt. Teine muudatus on töötada minimaalsel ooterežiimi temperatuuril, mitte lubada täielikku jahutamist ümbritseva õhuni. Kui küttekeha töötab 20 ja 250 kraadi asemel 150 kraadi ja 250 kraadi vahel, väheneb ΔT_sein 70%, mis toob kaasa 5-10-kordse väsimuse pikenemise. Kolmas muudatus on nõuda post{23}}stressi leevendamise lõõmutamist. lõõmutamine leevendab soodsaid survejääkpingeid välispinnal, kuid leevendab tõmbejääkpingeid sisepinnal, mis võib soodustada murdude teket. Lõõmutatud 1,8 mm ümbrise termiline väsimuse kestus on umbes 20–30% kõrgem kui 1,8 mm ümbrise omal. Parim ja lihtsaim viis enamiku tsükliliste õhkkütterakenduste puhul pika termilise väsimuse saavutamiseks on kasutada 1,2 mm või õhemat 316 kesta. 1,2 mm paksuse seina soojusnäitajad on paremad ja selle mehaaniline tugevus on piisav madalrõhuõhusüsteemide jaoks. Insenerid, kes nõuavad õhkkütteteenuse "vastupidavuse" jaoks refleksiivselt suuremaid seinu, valivad kogemata süsteemi, mis läheb varem katki. Õige spetsifikatsiooni saamiseks peate mõistma, et õhemad seinad ei ole termotsüklis vähem vastupidavad. Kütteseadmete tootjatele nõudeid esitades märkige alati ära eeldatav soojustsüklite arv ja soovitud rambikiirus. Asjatundlik tsüklilise õhusoojendi valmistaja määrab nende tegurite, mitte üldiste mehaanilise tugevuse reeglite jaoks sobiva seinapaksuse.