Dla inżynierów odpowiedzialnych za konserwację systemów płynów przenoszących ciepło w zakładach chemicznych, zakładach zajmujących się formowaniem tworzyw sztucznych i zakładach przetwórstwa spożywczego wybór elektrycznych grzałek zanurzeniowych do obsługi oleju termicznego stwarza wyjątkowy zestaw ograniczeń. W przeciwieństwie do systemów wodnych,-w których wysokie współczynniki przenikania ciepła pozwalają na stosunkowo dużą gęstość watów, oleje termiczne mają słabe właściwości w zakresie wymiany ciepła-zazwyczaj jedną-jedną-dwudziestą wody. W warunkach stagnacji lub niskiego-przepływu olej przylegający do osłony grzejnika może osiągnąć temperaturę znacznie wyższą od temperatury płynu w masie, co prowadzi do degradacji termicznej, koksowania i ostatecznie do awarii grzejnika. Grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 odgrywa kluczową rolę w tym mechanizmie awarii, ponieważ określa temperaturę powierzchni zewnętrznej dla danej gęstości watów. W tym artykule określono maksymalną dopuszczalną grubość ścianek dla osłon 316 w oleju termicznym o niskiej-watowej-gęstości-o wysokiej{13}}temperaturze w oparciu o opublikowane limity degradacji oleju i zasady wymiany ciepła.
Mechanizmy degradacji termicznej oleju i wartości graniczne temperatury powierzchni
Oleje termiczne to ciecze organiczne, które pod wpływem nadmiernych temperatur ulegają pękaniu termicznemu i utlenianiu. Maksymalna dopuszczalna temperatura filmu-temperatura na styku oleju-osłona-różni się w zależności od składu chemicznego oleju, ale zazwyczaj waha się od 250 do 350 stopni w przypadku olejów mineralnych i od 320 do 400 stopni w przypadku syntetycznych olejów aromatycznych. Przekroczenie tych temperatur przyspiesza tworzenie się nierozpuszczalnych polimerów, osadów węglowych i żrących produktów ubocznych. Gdy na powierzchni powłoki utworzy się warstwa koksu lub polimeru, działa ona jak bariera izolacyjna, jeszcze bardziej podnosząc temperaturę powłoki i przyspieszając degradację w niekontrolowanym cyklu. W przypadku osłon ze stali nierdzewnej 316 zanurzonych w stojącym oleju termicznym temperaturę powierzchni oblicza się jako T_surface=T_bulk + (q × R_total), gdzie q to gęstość watowa, a R_total obejmuje opór przewodzący ścianki osłony i opór konwekcyjny warstwy granicznej oleju. W oleju stojącym dominuje opór konwekcyjny i jest wysoce nieliniowy, ponieważ konwekcja naturalna jest słaba, a właściwości oleju zmieniają się dramatycznie wraz z temperaturą. Praktyczne doświadczenie w branży wykazało, że temperatura powierzchni powłoki 316 poniżej 260 stopni jest bezpieczna dla większości olejów mineralnych, natomiast 320 stopni jest bezpieczna dla-wysokiej jakości materiałów syntetycznych. Limity te przekładają się bezpośrednio na maksymalną dopuszczalną gęstość watów dla danej grubości ścianki.
Jak grubość ścianki wpływa na temperaturę powierzchni w stojącym oleju
W przypadku stałej gęstości watów grubsze ścianki osłony 316 zwiększają temperaturę powierzchni zewnętrznej proporcjonalnie do dodatkowego oporu cieplnego. W oleju stojącym o temperaturze nasypowej 150 stopni i współczynniku przenikania ciepła naturalnej konwekcji wynoszącym około 200 W/m²·K-typowym dla olejów o średniej lepkości-oblicza się wzrost temperatury od masy do powierzchni osłony. Płaszcz 316 o grubości 1,0 mm i mocy 4 W/cm² wytwarza temperaturę powierzchni około 235 stopni, czyli bezpiecznie poniżej limitu 260 stopni dla olejów mineralnych. Ta sama grzałka z osłoną o grubości 1,6 mm osiąga 255 stopni, zbliżając się do granicy. Przy osłonie o grubości 2,0 mm temperatura powierzchni osiąga 270 stopni, przekraczając bezpieczny limit dla większości olejów mineralnych. Przy grubości ścianki 2,5 mm temperatura powierzchni osiąga 290 stopni, przyspieszając degradację oleju i koksowanie. W przypadku olejów syntetycznych z granicą 320 stopni dopuszczalne są grubsze ścianki. Płaszcz o grubości 2,0 mm i mocy 4 W/cm² wytwarza temperaturę 270 stopni, mieszczącą się w granicach oleju syntetycznego. Nawet osłona o grubości 2,5 mm i mocy 4 W/cm² daje tylko 290 stopni, co jest nadal akceptowalne w przypadku-wysokiej jakości materiałów syntetycznych. Jeśli jednak temperatura oleju w masie wzrośnie do 180 stopni lub 200 stopni, temperatura powierzchni odpowiednio wzrośnie, a maksymalna dopuszczalna grubość ścianki maleje.
Zalecana maksymalna grubość ścianki dla oleju termicznego
W poniższej tabeli podano zalecane maksymalne grubości ścianek osłony wynoszące 316 dla grzałek zanurzeniowych o małej-watowej-gęstości, pracujących w trybie stagnacji lub przy niskim-przepływie oleju termicznego. Wartości zakładają ciągłą pracę, czysty olej bez wcześniejszej degradacji i margines bezpieczeństwa 15 stopni poniżej maksymalnej temperatury filmu określonej przez producenta.
| Typ oleju termicznego | Maksymalna temperatura oleju luzem | Zalecany zakres gęstości w watach | Maksymalna grubość ścianki osłony 316 | Oczekiwane ryzyko koksowania |
|---|---|---|---|---|
| Olej mineralny klasy standardowej | 120 stopni | 3 – 5 W/cm² | 1,6 mm | Niski przy 1,6 mm; umiarkowane powyżej |
| Olej mineralny klasy standardowej | 150 stopni | 2 – 4 W/cm² | 1,2 mm | Umiarkowany przy 1,2 mm; wysoko powyżej |
| Olej mineralny,-odporny na wysokie temperatury | 180 stopni | 1,5 – 3 W/cm² | 1,0 mm | Wysokie ryzyko; rozważ olej syntetyczny |
| Syntetyczny olej aromatyczny | 150 stopni | 3 – 6 W/cm² | 2,0 mm | Niski przy 2,0 mm; umiarkowane przy 2,5 mm |
| Syntetyczny olej aromatyczny | 200 stopni | 2 – 4 W/cm² | 1,6 mm | Umiarkowany przy 1,6 mm; wysokość 2,0 mm |
| Syntetyczny olej aromatyczny | 250 stopni | 1 – 2,5 W/cm² | 1,2 mm | Wysokie ryzyko; wymagane częste monitorowanie |
| Syntetyczny olej aromatyczny z przepływem | 200 stopni | 4 – 8 W/cm² | 2,0 mm | Niskie ryzyko w przypadku wymuszonego obiegu |
W przypadku każdego zastosowania oleju termicznego, w którym temperatura objętościowa przekracza 150 stopni, a grubość ścianki osłony przekracza 1,6 mm, inżynierowie powinni zażądać od producenta grzejnika analizy termicznej, która oblicza dokładną temperaturę powierzchni zewnętrznej w oparciu o specyficzne właściwości oleju w zakresie wymiany ciepła. Ogólne zalecenia są niewystarczające w tych warunkach. Dodatkowo montaż termopary bezpośrednio na powierzchni płaszcza zapewnia najbardziej niezawodną ochronę przed degradacją oleju. Kiedy zmierzona temperatura płaszcza zbliża się do maksymalnej temperatury filmu olejowego, należy zmniejszyć gęstość mocy grzałki lub zwiększyć cyrkulację oleju. Koszt wymiany oleju koksowego i czyszczenia zanieczyszczonego grzejnika zazwyczaj przewyższa koszt samego grzejnika od pięciu do dziesięciu razy, co sprawia, że konserwatywny wybór grubości ścianki jest rozsądną decyzją ekonomiczną.
