Pro bezpečnostní inženýry a specifikátory zařízení odpovědné za vertikální ponorné ohřívače instalované v nádržích, jímkách a procesních nádobách představuje náhodná ztráta pokrytí kapalinou-suché{1}}spálení- jeden z nejběžnějších a nejničivějších způsobů selhání. Když hladina kapaliny klesne pod vyhřívanou část pláště, teplo, které bylo předtím přeneseno do kapaliny, je místo toho zadržováno uvnitř pláště a odporového drátu. Teploty rychle rostou, což vede k oxidaci drátu, degradaci izolace MgO a nakonec k prasknutí pláště nebo k elektrickému selhání. Tloušťka stěny pláště z nerezové oceli 316 významně ovlivňuje jak dobu dostupnou před poškozením, tak maximální teplotu dosaženou během suchého-popálení. Tento článek porovnává účinnost suchého spalování 1,0 mm a 2,0 mm stěnových plášťů za stejných podmínek napájení a expozice a poskytuje kvantitativní návod pro zmírnění rizik v kritických aplikacích.
Tepelná odezva na suché-popálení jako funkce tloušťky stěny
Když vertikální ponorný ohřívač ztratí pokrytí kapalinou, koeficient prostupu tepla na povrchu pláště klesne z přibližně 5 000–10 000 W/m²·K ve vroucí vodě nebo 500–1 000 W/m²·K v míchaném oleji na přibližně 50–100 W/m²·K v klidném vzduchu. Toto snížení o dva řády znamená, že povrchová teplota pláště musí dramaticky vzrůst, aby se rozptýlil stejný tepelný tok. U ohřívače pracujícího při 10 W/cm² (100 000 W/m²) ve vzduchu s přirozeným konvekčním koeficientem 50 W/m²·K by rovnovážná povrchová teplota byla 100 000 / 50=2 000 stupňů nad okolní-vysokou teplotou tání nerezové oceli 316. V praxi ohřívač nedosáhne rovnováhy; ohřívá se, dokud odporový drát selže nebo se neaktivuje tepelné přerušení. Rychlost nárůstu teploty během suchého-hoření je určena tepelnou hmotností pláště a vnitřních součástí. 1,0 mm stěnový plášť má tepelnou hmotnost na jednotku plochy přibližně poloviční než 2,0 mm plášť. V důsledku toho se jeho teplota během prvních sekund suchého spalování zvyšuje přibližně dvakrát rychleji. Experimentální měření na pláštích o vnějším průměru 10 mm při 10 W/cm² v klidném vzduchu ukazují, že 1,0 mm stěna dosáhne 400 stupňů na vnějším povrchu za 8 sekund, zatímco 2,0 mm stěna potřebuje 16 sekund k dosažení stejné teploty. 2,0 mm plášť však uchovává více tepla, takže jakmile je zahřátý, zůstává nad kritickými teplotami déle po odpojení napájení.
Porovnání maximální teploty a doby do selhání
Teplota kritického selhání ohřívače s pláštěm 316 je určena limitem oxidace vnitřního nikl-chromového odporového drátu, obvykle 800–850 stupňů pro nepřetržitý provoz. Během suchého spalování je teplota drátu přibližně o 50–100 stupňů vyšší než teplota vnitřního povrchu pláště díky izolační vrstvě MgO. Když povrch vnitřního pláště dosáhne 700 stupňů, drát překročí 800 stupňů a začne rychlá oxidace. Doba dosažení tohoto prahu závisí na tloušťce stěny. U 1,0 mm stěny při 10 W/cm² v klidném vzduchu dosáhne povrch vnitřního pláště 700 stupňů po přibližně 25 sekundách. Celková doba do selhání obvodu rozpojení vodiče{18} je přibližně 35–45 sekund. U stěny o tloušťce 2,0 mm za stejných podmínek dosáhne vnitřní povrch pláště 700 stupňů po přibližně 55 sekundách, s poruchou drátu za 75–90 sekund. Silnější plášť poskytuje 2 až 2,5krát delší dobu přežití při suchém-popálení. Tento rozdíl je kritický pro aplikace, kde tepelné odpojení nebo hladinový spínač může vyžadovat několik sekund, než zareaguje. 1,0 mm plášť může selhat dříve, než se otevře pomalu reagující mechanický termostat, zatímco 2,0 mm plášť poskytuje dostatečnou tepelnou setrvačnost k překlenutí zpoždění odezvy.
Suchá-matice srovnání přežití
Následující tabulka poskytuje přímé srovnání výkonu 1,0 mm a 2,0 mm 316 pláště během suchého-popálení za různých provozních podmínek. Hodnoty předpokládají vertikální ponorný ohřívač v klidném vzduchu po ztrátě kapaliny, bez aktivního chlazení nebo nucené konvekce.
| Provozní hustota ve wattech před sušením-spálením | Tloušťka stěny pláště | Čas k vnějšímu povrchu při 400 stupních | Čas na vnitřní povrch při 700 stupních | Celková doba do selhání drátu | Doporučená strategie ochrany |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 W/cm² | 1,0 mm | 12 sekund | 40 sekund | 55 – 70 sekund | Rychle{0}}působící tepelné přerušení (do 30 sekund) |
| 5 W/cm² | 2,0 mm | 24 sekund | 85 sekund | 110 – 140 sekund | Standardní tepelná izolace je přijatelná |
| 10 W/cm² | 1,0 mm | 8 sekund | 25 sekund | 35 – 45 sekund | Je vyžadován elektronický hladinový spínač s 5 sekundovou odezvou |
| 10 W/cm² | 2,0 mm | 16 sekund | 55 sekund | 75 – 90 sekund | Standardní teplotní vypínač nebo hladinový spínač jsou přijatelné |
| 15 W/cm² | 1,0 mm | 5 sekund | 16 sekund | 22 – 30 sekund | Redundantní ochrana povinná; vysoké riziko |
| 15 W/cm² | 2,0 mm | 11 sekund | 38 sekund | 50 – 65 sekund | Doporučuje se rychle{0}}působící tepelné omezení |
| 20 W/cm² | 1,0 mm | 4 sekundy | 12 sekund | 17 – 22 sekund | Nedoporučuje se; jakákoli ochrana je pravděpodobně příliš pomalá |
| 20 W/cm² | 2,0 mm | 8 sekund | 28 sekund | 40 – 50 sekund | Je vyžadována elektronická ochrana s odezvou 2 sekundy |
U aplikací s hustotou wattů nad 15 W/cm² a tenkými stěnami pod 1,2 mm je doba přežití za sucha-vyhoření tak krátká, že poškození může zabránit pouze elektronická ochrana se sub-sekundovou odezvou-, jako je termočlánek zapuštěný do pláště připojeného k -pevnému relé-. Mechanické termostaty a tepelné pojistky mají obvykle dobu odezvy 5–15 sekund, což překračuje dobu přežití.
Úpravy designu pro zlepšení odolnosti proti popálení-za sucha
Když je pro tepelnou odezvu preferován tenkostěnný 316 plášť, ale existuje riziko popálení- za sucha, mohou tři úpravy designu prodloužit dobu přežití. První a nejúčinnější je instalace samostatného odpojovače-vody, který odpojí napájení, když hladina kapaliny klesne pod vyhřívanou část. Vodivostní sonda nebo plovákový spínač namontovaný na minimální hladině kapaliny poskytuje ochranu před tím, než se ohřívač odkryje. Druhou úpravou je snížení wattové hustoty v horní části ohřívače. Konstrukce s kónickou hustotou wattů-nižší výkon na jednotku délky v horní části, kde je nejpravděpodobnější vystavení,-prodlužuje dobu přežití za sucha-bez snížení celkového výkonu ohřívače. Třetí modifikací je zapuštění termočlánku přímo proti vnitřnímu povrchu pláště 316. Tento senzor detekuje rychlý nárůst teploty suchého-popálení během 1–2 sekund, což umožňuje řídicímu systému vypnout napájení dříve, než drát dosáhne kritické teploty. Tento přístup je standardní u vysoce spolehlivých ohřívačů{18} pro kritické procesy. Pro většinu průmyslových aplikací poskytuje výběr 2,0 mm stěnového pláště jednoduchou a robustní ochranu proti suchému-popálení. Delší doba přežití umožňuje spolehlivý provoz standardních ochranných zařízení a silnější stěna snáší občasné krátké suché-popálení bez trvalého poškození. Technici by měli specifikovat očekávanou dobu odezvy ochrany proti popálení za sucha{25}a požádat výrobce o vypočítanou bezpečnou tloušťku stěny. Dodavatel, který nemůže poskytnout tuto analýzu, nemusí plně porozumět teplotní dynamice suchých-podmínek spalování. Náklady na modernizaci z 1,0 mm na 2,0 mm tloušťky stěny jsou malé ve srovnání s náklady na selhání ohřívače, které zastaví výrobu nebo vytvoří nebezpečí požáru z přehřátých materiálů. Pokud si nejste jisti, uveďte silnější stěnu a přijměte mírnou penalizaci za tepelnou účinnost výměnou za odolnost proti suchému-popálení.
