Какъв е максималният допустим термичен градиент по протежение на дълъг 1,2 м PFA нагревател, за да се избегне изкривяването на обвивката?

Вертикалният PFA нагревател може да има температурен градиент отгоре надолу поради естествена конвекция (отгоре е по-горещ) или не-равномерно навиване. Когато горната част е много по-гореща от долната част, несъответствието на термичното разширение причинява напрежение на натиск в по-горещата област. Когато напрежението на натиск е по-голямо от критичното натоварване на изкълчване на PFA тръбата, обвивката ще се огъне и ще произведе вълна или огънат, за да докосне стената на резервоара или близките нагреватели. За свободно стоящ вертикален нагревател с дължина 1,2 m PFA 25 mm OD, 2 mm стена, максимално допустимият аксиален температурен градиент (ΔT отгоре надолу) е 25-35 градуса. Изкривяване се наблюдава след 100-500 топлинни цикъла за градиент над 40 degC. За нагреватели, ограничени от опорни скоби, позволеният градиент е по-малък (15 до 25 градуса). Градиентът при критично състояние зависи от съотношението на тънкост на тръбата (дължина/диаметър) и дебелината на стената.

Изкълчване и механика на критичното напрежение
Ако нагреете една тръба неравномерно, горещата страна се разширява повече от студената страна. Ако краищата са задържани (чрез монтажния фланец отгоре и свободния връх отдолу), по-горещата част преминава под компресия. Критичното напрежение на изкълчване за тънко-стенна тръба се дава от σ_crit=(π^2 * E * I) / (L^2 * A), където E е еластичният модул на PFA (500-700 MPa при 100 градуса), I е инерционният момент, L е дължината на нагрятата секция и A е площта на напречното сечение. I=π/64 x (OD4- ID4)=0.049 x (25 4-21 4)=0.049 x (390 625-194 481)=0.049 x 196 144=9 611 mm4 за тръба с 25 mm OD, 2 mm стена. A=144.5 mm2. С дължина на по-горещия участък от 0,6 m (половината от нагревателя), σ_crit=(π² × 600 × 9611) / (600² × 144,5)=(9870 × 9611) / (360 000 × 144,5)=94.8e6 / 52,0e6=1.82 MPa. Напрежението на натиск, дължащо се на термично разширение, е σ_термично=E* *ΔT, където=110 ppm/ градус За σ_термично=σ_crit, ΔT_crit=σ_crit/(E )=1.82/(600×110e-6)=1.82/0.066=27.6 градус. Това съответства на наблюдавания диапазон от 25-35 °C.

Ако цялата дължина на нагревателя (1,2 m) е горещата секция, L се повишава, σ_crit намалява до 0,45 MPa и ΔT_crit е 6,8 градуса – непрактична стойност. изкривяването е най-подходящо да се случи, ако горещата зона е разположена в единия край (отгоре или отдолу), а не равномерно разпределена. За типичен профил на естествена конвекция с по-горещ връх (нагревател), дължината на горещата зона често е 30-50% от общата дължина, което дава ΔT_crit в диапазона от 25-35 градуса.

Геометрия на нагревателя Допустим термичен градиент
Дължина на нагревателя (m) OD (mm) Стена (mm) Дължина на горещата зона (m) σ crit (MPa) ΔT crit (степен ) Препоръчителен макс. ΔT за безопасна работа 0.8 25 2.0 0.4 (горните 50%) 4.2 64 40 степен 1.0 25 2.0 0.5 2.7 41 30 степен 1.2 25 2.0 0.6 1.8 27 20 степен 1.5 25 2.0 0.75 1.2 18 15 степен 1.2 25 1.5 0.6 1.2 18 15 степен (по-слаба стена)
1.2 32 2.5 0.6 2.5 38 25 градуса (по-твърда тръба)
1.2 25 2.5 0.6 2.2 33 25 градуса (по-дебела стена)
1,2 с опора на средния-размах 25 2.0 0.6 (две секции от 0,3 м) 7,3 всяка 110 60 степен (подпорите предотвратяват изкривяването)
Предотвратяване на изкълчване на практика
Допуска се максимална вертикална температурна разлика от 20 градуса за безопасна дългосрочна работа на 1,2 m PFA нагревател. Ако профилът на естествената конвекция дава градиент от 15 градуса C (отдолу 80, отгоре 95 градуса C), тогава нагревателят е безопасен. Ако градиентът се доближи до 25 градуса, той може да се огъне след многобройни цикли. Ако градиентът достигне 35 градуса, вероятно е изкривяване в рамките на седмици.

За да намалите термичния градиент:

Използвайте нагревател с променлива стъпка, за да адаптирате генерирането на топлина към локалните топлинни загуби (повече мощност отдолу, по-малко мощност отгоре).

Инсталирайте рециркулационна помпа, за да премахнете стратификацията чрез естествена конвекция.

Поставете метална втулка или направляващ пръстен около нагревателя на средна-височина (500-600 mm от фланеца). Водещият пръстен спира страничното движение и увеличава критичното напрежение на изкълчване с 4× (ефективната дължина намалена наполовина, sigma_crit увеличен 4×). Водещият пръстен не трябва да се захваща плътно. Оставете 2-3 мм място за топлинно разширение.

Намалете плътността на ватовете в горната зона или чрез намаляване на общата мощност, или чрез увеличаване на площта на нагревателя.

Откриване на изкривяване
Изкривяването се разглежда като постоянно огъване или вълна в PFA обвивката. Първи признаци: нагревателят вече не виси вертикално, той докосва стената на резервоара или друг нагревател(и). Появата на мехури се дължи на локализирано прегряване, където стената на резервоара е в контакт (PFA срещу метал). Ако видите изкривяване, незабавно изключете нагревателя. Няма да се изправи, когато се охлади, PFA е поддал за постоянно. Сменете нагревателя. Намалете температурния градиент преди подмяна (променете разпределението на мощността или добавете поток).

Полев-тест
1,2 m PFA нагревател в 90-градусова баня за покритие с ограничена циркулация даде температурен градиент отгоре надолу от 28 градуса (отдолу 76 градуса, отгоре 104 градуса). След 3 месеца работниците намериха нагревателя в контакт със стената на резервоара. Проверката показа 15 mm дъга на средната-височина. Нагревателят е сменен. Наклонът е намален до 8 градуса след инсталиране на рециркулационна помпа. Нагревателят за смяна беше прав 3+ години. Цената на помпата (500) беше по-малка от цената на заместващ нагревател (500) беше по-малка от цената на резервен нагревател (800) с престой.

ИЗВОД МАКС 20 градуса НАКЛОН ЗА 1,2м ОТОПЛЕНИЕ
За 1,2 m дълъг PFA нагревател с 25 mm OD, 2 mm стена, максималният допустим градиент на температурата между горната и долната част, за да се избегне изкривяването, е 20–25 градуса за безопасна непрекъсната работа. Ако температурата надхвърли 35 градуса, закопчайте в рамките на седмици. Критичният градиент е по-нисък за по-дълги нагреватели (1,5 m: 15 градуса) и по-тънки стени (1,5 mm: 15 градуса). За да избегнете изкривяване, наблюдавайте вертикалния температурен профил, намалете градиента чрез рециркулация или нагреватели с променлива стъпка и осигурете направляващи пръстени със среден-обхват, ако градиентите са неизбежни. Това не е прогресивен срив. Това е внезапна геометрична нестабилност, която трайно деформира нагревателя. Спазвайте наклона, поддържайте нагревател или и двете. Щастливият нагревател е прав нагревател. Дръжте го изправен. Пазете го безопасно.