ما هو الحد الأقصى المسموح به لسمك جدار الغلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 لسخان غاطس منخفض الكثافة -وات- يعمل في زيت حراري راكد ومرتفع بدرجة حرارة أعلى من 150 درجة مئوية؟
ترك رسالة
يواجه مهندسو العمليات المكلفون بصيانة أنظمة سوائل نقل الحرارة في المصانع الكيماوية وعمليات صب البلاستيك ومرافق تجهيز الأغذية مجموعة فريدة من القيود عند اختيار سخانات الغمر الكهربائية لخدمة الزيت الحراري. تتمتع الأنظمة المعتمدة على الماء بكثافة واط عالية جدًا بسبب معاملات نقل الحرارة القوية، بينما تتمتع الزيوت الحرارية بصفات نقل حرارة سيئة جدًا، ما يقرب من عُشر إلى واحد على عشرين من الماء. في حالات التدفق الراكد أو المنخفض، يمكن تسخين الزيت الملامس بغلاف السخان إلى درجات حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة السائل السائب مما يؤدي إلى التدهور الحراري، والتكويك، وفشل السخان في نهاية المطاف. يعد سمك الجدار لغلاف الفولاذ المقاوم للصدأ 316 أمرًا بالغ الأهمية لآلية الفشل هذه، حيث أن درجة حرارة السطح الخارجي تعتمد على سمك الجدار لكثافة واط معينة. يتم استخدام قيود تحلل الزيت المنشورة ومبادئ نقل الحرارة لتحديد الحد الأقصى لسماكة الجدار المقبولة لـ 316 غمدًا بكثافة -واط- منخفضة، وخدمة زيت حراري بدرجة حرارة عالية-.
آليات تحلل الزيت الحراري وحدود درجة حرارة السطح
الزيوت الحرارية هي سوائل عضوية يمكن أن تتعرض للتشقق الحراري والأكسدة عند درجات الحرارة العالية جدًا. تعتمد درجة الحرارة القصوى المسموح بها للفيلم (درجة الحرارة عند واجهة غلاف الزيت-) على كيمياء الزيت ولكنها تتراوح عادةً بين 250 و350 درجة للزيوت المعدنية وبين 320 و400 درجة للزيوت العطرية الاصطناعية. وبعيدًا عن درجات الحرارة هذه، هناك إنتاج متسارع للبوليمرات غير القابلة للذوبان والرواسب الكربونية والمنتجات الكاوية الثانوية-. عند وجود طبقة من فحم الكوك أو البوليمر على سطح الغلاف، يعمل سطح الغلاف كحاجز عازل، مما يزيد من درجة حرارة الغلاف ويسرع التحلل في دورة جامحة. بالنسبة لـ 316 غمدًا من الفولاذ المقاوم للصدأ مغمورة في زيت حراري راكد، يتم حساب درجة حرارة السطح كـ T_s=T_b + (q× R_s) حيث T_b هي درجة الحرارة بالجملة، q هي كثافة الواط وR_s هي المقاومة الإجمالية للنظام، وهو مجموع المقاومة الموصلة لجدار الغمد ومقاومة الحمل الحراري للطبقة الحدودية للنفط. في الزيت الثابت تعتبر مقاومة الحمل الحراري هي الأهم وهي غير خطية للغاية بسبب ضعف الحمل الحراري الطبيعي والتغير الكبير في خصائص الزيت مع درجة الحرارة. أظهرت تجربة الصناعة أن غالبية الزيوت المعدنية يمكن استخدامها بأمان حتى درجة حرارة سطح الغلاف 316 درجة والمواد التركيبية عالية الجودة حتى 320 درجة. تترجم هذه القيود مباشرة إلى أقصى كثافة واط مسموح بها لسمك جدار معين.
تأثير سماكة الجدار على درجة حرارة سطح الزيت في حالة السكون
عند كثافة واط معينة، تؤدي زيادة سمك جدار الغلاف 316 إلى زيادة درجة حرارة السطح الخارجي بنفس مقدار المقاومة الحرارية الإضافية. يتم حساب ارتفاع درجة الحرارة من المادة السائبة إلى سطح الغلاف للزيت الثابت عند درجة حرارة المادة السائبة البالغة 150 درجة مئوية ومعامل نقل الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي الذي يبلغ ~200 وات/م2 ك- وهو نموذجي للزيوت متوسطة اللزوجة. يوفر الغلاف 316 مقاس 1.0 مم عند 4 وات/سم² درجة حرارة سطحية تبلغ 235 درجة تقريبًا، أي أقل بكثير من حد الزيت المعدني البالغ 260 درجة. نفس السخان ولكن بغمد 1.6 ملم يصل إلى 255 درجة ويقترب من الحد الأقصى. مع غلاف 2.0 ملم تكون درجة حرارة السطح 270 درجة وهو ما يتجاوز الحد المسموح به لمعظم الزيوت المعدنية. عند سمك الجدار 2.5 مم، تكون درجة حرارة السطح 290 درجة، مما يسرع من تدهور الزيت والتكويك. ثيك... للزيوت الاصطناعية حد 320 درجة مئوية. عند 4 وات/سم2، ينتج غمد 2.0 مم 270 درجة، وهو أقل بكثير من حد الزيت الاصطناعي. حتى الغلاف مقاس 2.5 مم عند 4 وات/سم² ينتج 290 درجة فقط، ولا يزال مقبولًا للمواد التركيبية ذات الجودة الجيدة. مع ذلك، عندما ترتفع درجة حرارة الزيت السائب إلى 180 درجة أو 200 درجة، ترتفع درجة حرارة السطح وفقًا لذلك، وينخفض الحد الأقصى لسمك الجدار المقبول.
الحد الأقصى لسماكة الجدار الموصى بها لخدمة الزيت الحراري
يقترح الجدول أدناه سمكًا أقصى يبلغ 316 لجدار الغلاف للسخانات الغاطسة ذات الكثافة المنخفضة-واط المستخدمة في خدمة الزيت الحراري الثابتة أو المنخفضة التدفق-. القيم مخصصة للتشغيل المستمر، والزيت النظيف دون أي تدهور سابق، ومع وجود حاجز أمان بمقدار 15 درجة أقل من الحد الأقصى لدرجة حرارة الفيلم التي تحددها الشركة المصنعة.
نوع الزيت الحراري الحد الأقصى لدرجة حرارة الزيت السائب نطاق الكثافة الموصى به الحد الأقصى 316 سمك جدار الغلاف خطر التكويك المتوقع
زيت معدني من الدرجة القياسية 120 درجة 3 - 5 وات/سم² 1.6 مم منخفض عند 1.6 مم؛ معتدل فوق
الدرجة القياسية 150 درجة 2 – 4 وات/سم² 1.2 مم متوسطة عند 1.2 مم؛ عاليا فوق
زيت معدني بدرجة حرارة عالية 180 درجة 1.5 – 3 وات/سم 2 1.0 مم عالي المخاطر، فكر في الزيوت الاصطناعية
زيت عطري صناعي 150 درجة 3 – 6 وات/سم² 2.0 مم منخفض عند 2.0 مم؛ معتدل عند 2.5 ملم
زيت عطري صناعي 200 درجة 2 – 4 وات/سم² 1.6 مم خفيف عند 1.6 مم؛ شديدة عند 2.0 ملم
زيت عطري صناعي 250 درجة 1 – 2.5 وات/سم² 1.2 مم خطر عالي؛ يحتاج إلى مراقبة مستمرة
زيت عطري صناعي بتدفق 200 درجة 4 - 8 وات/سم 2 2.0 ملم منخفض الخطورة مع الدوران القسري
في جميع تطبيقات الزيت الحراري حيث تكون درجة حرارة الجزء الأكبر أكبر من 150 درجة وسمك جدار الغلاف أكبر من 1.6 مم، يجب على المهندسين أن يطلبوا من الشركة المصنعة للسخان تقديم دراسة حرارية تحسب درجة حرارة السطح الخارجي الدقيقة بناءً على معلمات نقل الحرارة المحددة للزيت. في هذه الإعدادات، التوصيات العامة ليست كافية. علاوة على ذلك، يتم توفير الحماية الأكثر موثوقية ضد تدهور الزيت بواسطة مزدوجة حرارية مثبتة مباشرة على سطح الغلاف. إذا كانت درجة حرارة الغلاف المسجلة قريبة من الحد الأقصى لدرجة حرارة الفيلم للزيت، فيجب تقليل كثافة واط السخان أو زيادة دوران الزيت. يعد الاختيار الحذر لسمك الجدار اقتراحًا اقتصاديًا. غالبًا ما تكون تكلفة استبدال زيت الكوك وتنظيف السخان الملوث من خمسة إلى عشرة أضعاف تكلفة السخان.
