Vertikální ohřívač PFA může vyvinout teplotní rozdíl mezi jeho horní a spodní částí v důsledku přirozené konvekce (teplejší nahoře) nebo nerovnoměrného vinutí. Když je horní část výrazně teplejší než spodní, nesoulad tepelné roztažnosti vytváří tlakové napětí v teplejší oblasti. Pokud tlakové napětí překročí kritické vzpěrné zatížení trubky PFA, plášť se vyboulí-a vytvoří vlnu nebo ohyb, který se dotýká stěny nádrže nebo sousedních ohřívačů. U 1,2 m dlouhého ohřívače PFA s vnějším průměrem 25 mm a stěnou 2 mm je maximální povolený axiální teplotní gradient (ΔT mezi horní a spodní částí) 25–35 stupňů pro volně stojící vertikální ohřívač. Při sklonu nad 40 stupňů dochází ke zborcení během 100–500 tepelných cyklů. U ohřívačů omezených podpěrnými konzolami je povolený sklon nižší (15–25 stupňů). Kritický gradient závisí na poměru štíhlosti trubky (délka/průměr) a tloušťce stěny.
Vzpěrná mechanika a kritické napětí
Když je trubka zahřívána nerovnoměrně-, teplejší část se roztahuje více než chladnější část. Pokud jsou konce omezeny (montážní přírubou nahoře a volnou špičkou dole), začne se teplejší část stlačovat. Kritické napětí ve vzpěru pro tenkostěnnou-trubku je σ_crit=(π² × E × I) / (L² × A), kde E je modul pružnosti PFA (500–700 MPa při 100 stupních), I je moment setrvačnosti, L je délka teplejšího úseku a A je plocha průřezu{9}. Pro 25 mm vnější průměr, 2 mm nástěnnou trubku, I=π/64 × (OD⁴ - ID⁴)=0.049 × (25⁴ - 21⁴)=0.049 × (390,625 - 194,481, 61156}, 61156}} mm⁴, A=144.5 mm². Pro teplejší sekci o délce 0,6 m (polovina topného tělesa) σ_crit=(π² × 600 × 9 611) / (600² × 144,5)=(9 870 × 9 611) / (360 000 × 9 611) / (360 000 × 14} e{4}. 52,0e6=1.82 MPa. Tlakové napětí z tepelné roztažnosti je σ_tepelné=E × × ΔT, kde=110 ppm/stupeň. Nastavení σ_thermal=σ_crit: ΔT_crit=σ_crit / (E × )=1.82 / (600 × 110e-6)=1.82 / 0.066=27.6 stupeň . To odpovídá empirickému rozsahu 25–35 stupňů.
Pokud je celá délka ohřívače (1,2 m) teplejší částí, L se zvýší, σ_crit se sníží na 0,45 MPa a ΔT_crit klesne na 6,8 stupně -nepraktické. To znamená, že vzpěr je nejpravděpodobnější, když je horká zóna na jednom konci (nahoře nebo dole), než aby se rovnoměrně rozprostřela. U ohřívače, který je teplejší nahoře (typický profil přirozené konvekce), je délka horké zóny často 30–50 % celkové délky, což dává ΔT_crit v rozsahu 25–35 stupňů.
Přípustný teplotní gradient podle geometrie ohřívače
| Délka ohřívače (m) | Vnější průměr (mm) | Stěna (mm) | Délka horké zóny (m) | σ_crit (MPa) | ΔT_crit ( stupeň ) | Doporučené maximální ΔT pro bezpečný provoz |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.8 | 25 | 2.0 | 0,4 (horních 50 %) | 4.2 | 64 | 40 stupňů |
| 1.0 | 25 | 2.0 | 0.5 | 2.7 | 41 | 30 stupňů |
| 1.2 | 25 | 2.0 | 0.6 | 1.8 | 27 | 20 stupňů |
| 1.5 | 25 | 2.0 | 0.75 | 1.2 | 18 | 15 stupňů |
| 1.2 | 25 | 1.5 | 0.6 | 1.2 | 18 | 15 stupňů (slabší stěna) |
| 1.2 | 32 | 2.5 | 0.6 | 2.5 | 38 | 25 stupňů (tužší trubka) |
| 1.2 | 25 | 2.5 | 0.6 | 2.2 | 33 | 25 stupňů (silnější stěna) |
| 1.2 s podporou středního-rozpětí | 25 | 2.0 | 0,6 (dvě sekce 0,3 m) | 7,3 každý | 110 | 60 stupňů (podpěry zabraňují vybočení) |
Prevence vybočení v praxi
U ohřívače PFA o délce 1,2 m omezte vertikální teplotní gradient na maximum 20 stupňů pro bezpečný, dlouhodobý-provoz. Pokud profil přirozené konvekce vytváří gradient 15 stupňů (spodní 80 stupňů, horní 95 stupňů), ohřívač je bezpečný. Pokud sklon dosáhne 25 stupňů, může po mnoha cyklech nastat vybočení. Pokud gradient dosáhne 35 stupňů, vybočení je pravděpodobné během týdnů.
Chcete-li snížit tepelný gradient:
Použijte variabilní-topné těleso (větší výkon dole, méně nahoře), abyste přizpůsobili výrobu tepla místním tepelným ztrátám.
Přidejte recirkulační čerpadlo, abyste eliminovali stratifikaci přirozené konvekce.
Nainstalujte kovovou objímku nebo vodicí kroužek kolem ohřívače ve střední{0}}výšce (500–600 mm od příruby). Vodicí kroužek zabraňuje bočnímu pohybu a zvyšuje kritické vzpěrné zatížení 4× (efektivní délka poloviční, σ_crit čtyřnásobek). Vodicí kroužek nesmí pevně sevřít; ponechte 2–3 mm mezeru pro tepelnou roztažnost.
Snižte hustotu wattů v horní zóně snížením celkového výkonu nebo zvětšením povrchu ohřívače.
Detekce vybočení
Vybočení je viditelné jako trvalý ohyb nebo vlna v PFA pochvě. První známky: ohřívač již nevisí svisle; dotýká se stěny nádrže nebo sousedních ohřívačů. Kontakt se stěnou nádrže vytváří lokalizované přehřátí (PFA proti kovu), což vede k tvorbě puchýřů. Zjistíte-li deformaci, okamžitě vypněte-ohřívač. Ohnutý tvar se po ochlazení nenarovná; PFA ustoupila trvale. Vyměňte ohřívač. Před výměnou snižte tepelný gradient úpravou distribuce výkonu nebo přidáním průtoku.
Příklad pole
1,2 m ohřívač PFA v 90stupňové pokovovací lázni se špatnou cirkulací měl naměřený teplotní rozdíl od horní-k{3}}spodní části 28 stupňů (dole 76 stupňů, nahoře 104 stupňů). Po 3 měsících si operátoři všimli, že se ohřívač dotýká stěny nádrže. Inspekce odhalila 15mm luk ve střední-výšce. Ohřívač byl vyměněn. Po instalaci recirkulačního čerpadla klesl spád na 8 stupňů. Náhradní ohřívač zůstal v provozu po dobu 3+ let. Náklady na čerpadlo (500) byly nižší než náklady na výměnný ohřívač (500) byly nižší než náklady na výměnný ohřívač (800) plus prostoje.
Závěr: Maximální gradient 20 stupňů pro ohřívač 1,2 m
U ohřívače PFA o délce 1,2 m s vnějším průměrem 25 mm a stěnou 2 mm je maximální povolený teplotní gradient mezi horní a spodní částí, aby se zabránilo vybočení, 20–25 stupňů pro bezpečný nepřetržitý provoz. Překročení 35 stupňů způsobí vybočení během týdnů. Kritický gradient je nižší pro delší ohřívače (1,5 m: 15 stupňů) a pro tenčí stěny (1,5 mm: 15 stupňů). Abyste předešli vybočení, změřte vertikální teplotní profil, snižte gradient pomocí recirkulace nebo ohřívačů s proměnným sklonem a přidejte střední{14} vodicí kroužky, pokud jsou sklony nevyhnutelné. Zborcení není postupné selhání,{16}je to náhlá geometrická nestabilita, která trvale deformuje ohřívač. Respektujte sklon, podepřete ohřívač nebo obojí. Přímé topení je šťastné topení. Udržujte to rovně, držte to v bezpečí.
