Fyrir ferliverkfræðinga sem hanna rafmagnsdýfingahitara fyrir sjóðandi vatnsnotkun-eins og rafmagnskatla, gufugjafa og iðnaðarkatla- er fyrirbærið mikilvægt hitaflæði grundvallartakmörkun á afköstum hitara. Þegar hitaflæðið frá 316 ryðfríu stáli slíðrinu til nærliggjandi vatns fer yfir viðmiðunargildi, breytist suðukerfið frá kjarnasuðu yfir í filmusuðu. Við kvikmyndasuðu myndast samfellt gufulag á yfirborði slíðunnar sem dregur verulega úr varmaflutningsstuðlinum og veldur því að hitastig slíðunnar hækkar hratt. Þetta ástand, þekkt sem kulnun, getur hækkað hitastig slíðunnar um hundruð gráður á nokkrum sekúndum, sem leiðir til oxunar viðnámsvíra, bilunar í MgO einangrun eða rofs á slíðri. Veggþykkt 316 slíðrunnar hefur áhrif á bæði mikilvæga hitaflæðisgildið og hitaviðbragðstímann þegar kvikmyndasuður hefst. Þessi grein mælir tengslin milli þykktar slíðurveggsins og kulnunarhættu og veitir leiðbeiningar um val fyrir há-hita-hitanotkun með sjóðandi vatni.
Eðlisfræði gagnrýninnar hitaflæðis og kulnunar í 316 slíðrum
Við kjarnasuðu myndast gufubólur á kjarnastöðum á yfirborði 316 slíðunnar, losna og rísa upp í gegnum vökvann og flytja varma á skilvirkan hátt. Varmaflutningsstuðullinn við kjarnasuðu vatns er á bilinu 5.000 til 50.000 W/m²·K eftir yfirborðsaðstæðum og hitamun. Þegar hitaflæði eykst eykst tíðni og þéttleiki kúlamyndunar. Við mikilvæga hitaflæðið renna gufubólur saman í samfellda gufufilmu sem hylur yfirborð slíðunnar. Gufufilman hefur varmaleiðni sem er um það bil 20 sinnum lægri en fljótandi vatn, sem eykur varmaviðnám verulega. Yfirborðshiti slíðunnar verður að hækka til að viðhalda sama hitaflæði, en gufufilmuþykktin eykst einnig með hitastigi og myndar sjálfstætt-einangrandi lag. Fyrir 316 slíður í mettuðu vatni við 100 gráður er væg hitaflæði venjulega 1.000–1.500 kW/m² (100–150 W/cm²). Þetta er talsvert yfir venjulegu rekstrarsviði fyrir iðnaðardýfingahitara, sem virka á 5–30 W/cm². Hins vegar geta staðbundnir heitir reitir, yfirborðsflóð eða flæðistruflanir dregið úr staðbundnu mikilvægu hitaflæðinu niður í allt að 50–80 W/cm². Hitari sem starfar við 20 W/cm² með 50% heitum punktastuðli gæti farið yfir staðbundið mikilvæga hitaflæðið. Þegar kvikmyndarsuðu hefst á hluta slíðrunnar hækkar hitastigið hratt og getur hugsanlega dreift gufufilmunni um allt yfirborðið.
Hvernig veggþykkt breytir afleiðingum kulnunar
Þegar 316 slíður fer í sjóðandi filmu lækkar varmaflutningsstuðullinn úr um það bil 10.000 W/m²·K í um það bil 500 W/m²·K. Fyrir fastan wattaþéttleika upp á 20 W/cm² (200.000 W/m²) eykst nauðsynlegur hitamunur frá slíðri til vatns úr 20 gráðum í kjarnasuðu í 400 gráður í filmusuðu. Yfirborðshiti slíðunnar hækkar því úr 120 gráðum í um það bil 500 gráður. Þessi hitahækkun er í meginatriðum tafarlaus miðað við hitatímafasta slíðunnar. Mikilvæga spurningin er hvort hitastig innra viðnámsvírsins fari yfir örugg mörk-venjulega 800 gráður -áður en stjórnandi eða stjórnkerfi skynjar ástandið og dregur úr afli. Vírhitastigið jafngildir hitastigi innra yfirborðs slíðunnar ásamt hitafalli yfir MgO einangrunina og hvers kyns millibilsbilum. Fyrir þunnt-veggað slíður sem er 0,8–1,0 mm getur hitastig vírsins við suðu á filmu náð 900–1.000 gráðum innan 5–10 sekúndna, sem veldur hraðri oxun og bilun. Fyrir þykkt-veggað slíður sem er 2,0–2,5 mm, gleypir varmamassi slíðunnar í sig hita við upphafssuðuhlífina og seinkar hækkun vírhita um 20–40 sekúndur. Þessi seinkun veitir viðbótartíma fyrir hitaskynjara eða hitauppstreymi til að bregðast við. Hins vegar geymir þykkari slíðurinn líka meiri hita, sem þýðir að þegar það er orðið heitt tekur það lengri tíma að kólna eftir að rafmagnið er fjarlægt. Nettóáhrifin eru þau að þykk-vegguð slíður eru fyrirgefnari fyrir stuttar kvikmyndasuðuleiðir en verða fyrir alvarlegri skemmdum ef ferðin er langvarandi.
Mikilvægar hitaflæðisaukning með yfirborðsbreytingum
Mikilvæga hitaflæðið á 316 slíðri veltur mjög á örbyggingu yfirborðs og bleyta. Slétt, fágað yfirborð hefur lægra krítískt hitaflæði en gróft eða gljúpt yfirborð vegna þess að það eru færri kjarnastöðvar. Fyrir þunnt -veggað slíður undir 1,2 mm skilur sléttunarferlið venjulega eftir tiltölulega slétt yfirborðsáferð sem er 0,4–0,8 míkron Ra. Fyrir þykkt-veggað slíður yfir 1,8 mm getur yfirborðið verið grófara vegna mismunandi framleiðsluferla, með áferð 1,0–2,0 míkron Ra. Þetta grófara yfirborð getur aukið mikilvægt hitaflæði um 20–30% með því að veita fleiri kjarnastaði. Þess vegna hafa þykk-veggað slíður tvöfaldan kost í suðuþjónustu: þau veita meiri varmamassa til að seinka kulnunarskemmdum og venjulega grófara yfirborð þeirra hækkar þröskuldinn þar sem kulnun á sér stað. Eftirfarandi tafla gefur upp ráðlagða veggþykkt fyrir 316 slíður í sjóðandi vatni, byggt á vinnuwattaþéttleika og vatnsgæði.
| Rekstrarwattþéttleiki | Vatnsgæði | Mælt er með að lágmarki 316 veggþykkt | Ráðlagður hámarksveggþykkt 316 | Critical Heat Flux Margin | Burnout verndarkerfi |
|---|---|---|---|---|---|
| Allt að 15 W/cm² | Hreint, lítið af föstu efni | 0,8 mm | 1,6 mm | 5 – 8× | Þunnur veggur viðunandi; lítil áhætta |
| 15 – 25 W/cm² | Hreint, lítið af föstu efni | 1,2 mm | 2,0 mm | 3 – 5× | Miðlungs þykkt gefur varmamassa |
| 25 – 35 W/cm² | Hreint, lítið af föstu efni | 1,6 mm | 2,5 mm | 2 – 3× | Þykkur veggur nauðsynlegur fyrir kulnunarþol |
| Allt að 15 W/cm² | Harð vatn, möguleiki á kalki | 1,2 mm | 2,0 mm | 3 – 5× | Þykkari veggur þolir hiti-af völdum hita |
| 15 – 25 W/cm² | Harð vatn, möguleiki á kalki | 1,6 mm | 2,5 mm | 2 – 3× | Þykkur veggur nauðsynlegur; þarf oft kalkhreinsun |
| Hvaða wattaþéttleiki sem er | Vatnshreinsað vatn | 1,0 mm | 1,6 mm | Breytilegt | Vatnshreinsað vatn hefur lægra mikilvæga hitaflæði; forðast háan wattaþéttleika |
Fyrir notkun yfir 25 W/cm² í sjóðandi vatni er almennt ekki mælt með 316 ryðfríu stáli, óháð veggþykkt. Mörkin til mikilvægs hitaflæðis eru of lítil og hvers kyns tímabundið ástand-eins og vatnsborðsfall, þrýstingssveifla eða yfirborðsflóð-geta valdið kulnun. Í slíkum tilfellum ættu verkfræðingar að íhuga Incoloy 825 eða klæddan hitara með innbyggðum hitaeiningum og virkri aflstýringu.
Hönnunaraðferðir til að koma í veg fyrir kulnun í þunnum-vegguðum slíðrum
Þegar nota þarf þunnt-veggað 316 slíður undir 1,2 mm í sjóðandi vatni-venjulega fyrir hraðvirka hitasvörun- geta þrjár hönnunaraðferðir dregið úr hættu á kulnun. Fyrsta og mikilvægasta er að setja upp óþarfa hitaskynjunarkerfi. Hitaeining sem er klemmd við yfirborð slíðursins eða viðnámshitaskynjari sem er innbyggður í MgO getur greint hraða hitahækkun filmu sem sýður innan 1–2 sekúndna, sem kemur af stað rafmagnsrof áður en vírskemmdir verða. Önnur aðferðin er að starfa með föstum afltakmörkun sem kemur í veg fyrir að wattaþéttleiki fari yfir 80% af áætluðu mikilvægu hitaflæði miðað við vatnsgæði. Fyrir afsteinað vatn getur þetta takmarkað virkni við 40–50 W/cm², sem er enn hátt en gefur nokkra framlegð. Þriðja aðferðin er að auka vatnsflæði yfir slíðaryfirborðið. Þvinguð convection suða hefur mikilvæga hitaflæði allt að þrisvar sinnum hærra en laug suða. Hringrásardæla eða hræribúnaður getur hækkað öryggismörkin úr 100 W/cm² í 300 W/cm². Þar sem þessar aðferðir eru ekki til er að tilgreina þykkt-veggað slíður einfaldasta og áreiðanlegasta aðferðin til að koma í veg fyrir kulnun í sjóðandi vatni. Hitanýtni refsing þykka veggsins er ásættanleg miðað við öryggis- og áreiðanleikaávinninginn.
