Термичен цикъл и ефектът му върху дълготрайността на 550-градусовия патронен нагревател
Инсталиран е 550-градусов един-нагревател на касета. Работи непрекъснато в продължение на седмици, като се представя перфектно. Тогава производствените изисквания се променят-линията спира за смяна на смяна, период за поддръжка или смяна на материала. Нагревателят охлажда. По-късно той се захранва обратно до 550 градуса. Този цикъл се повтаря. И с всеки цикъл животът на нагревателя се скъсява.
Термичните цикли са една от най-разрушителните сили, пред които е изправен патронният нагревател. Това е и един от най-пренебрегваните фактори в спецификацията и работата на нагревателя.
Какво се случва по време на топлинен цикъл
При 550 градуса нагревателят се разширява значително. Обвивката, съпротивителният проводник и изолацията от магнезиев оксид се разширяват с различна скорост. Когато нагревателят се охлади, тези компоненти се свиват-отново с различна скорост. Това диференциално разширение и свиване създава механично напрежение във всеки интерфейс в рамките на нагревателя.
В продължение на много цикли този стрес се натрупва. В обвивката се образуват микро{1}}пукнатини. Съпротивителният проводник изпитва механична умора. Изолацията от MgO може да се разхлаби, създавайки въздушни междини, които намаляват преноса на топлина и създават горещи точки. Керамичната капачка в края на изхода на проводника може да се спука. Всеки цикъл приближава нагревателя към повреда.
Кумулативният ефект
Броят и големината на топлинните цикли определят колко бързо се натрупва умората. Нагревател, който минава от стайна температура до 550 градуса веднъж на ден, ще изпита много по-голям стрес от този, който минава веднъж седмично-но дори седмичното превключване оказва влияние.
Опитът показва, че нагревател, работещ непрекъснато при 550 градуса, често издържа по-дълго от този, който се върти често, дори ако общите работни часове са подобни. Непрекъснатата работа избягва механичния стрес от разширяване и свиване. Нагревателят достига термично равновесие и остава там.
Намаляване на ефектите от термичния цикъл
Първата линия на защита е правилната инсталация. Пробитият отвор трябва да поеме топлинно разширение-обикновено с 1 до 2 mm по-дълбоко от дължината на нагревателя, с диаметрална хлабина от 0,1 до 0,2 mm. Тази хлабина позволява на нагревателя да се разширява без свързване, намалявайки механичното напрежение, което създава цикличност.
Втората линия на защита е стъпаловидно предварително загряване. Вместо да се прилага пълна мощност от студен старт, нагревателят трябва да се загрява постепенно. Типична процедура: приложете ниска мощност, за да повишите температурата до 200–300 градуса и задръжте за 10 до 15 минути, след което постепенно увеличете мощността, докато се достигне номиналната работна температура от 550 градуса. Това постепенно загряване-намалява топлинния шок, който създава бързото нагряване.
Третата линия на защита е избягването на ненужно колоездене. Ако производството изисква кратки прекъсвания, намаляването на мощността до състояние на задържане на ниска-температура е много по-малко вредно от пълното изключване на нагревателя. Нагревателят остава топъл, свеждайки до минимум разширяването и свиването, а енергийните разходи за поддържане на температурата са скромни в сравнение с разходите за повторно нагряване от студено.
Изборът на материал има значение
Не всички материали на обвивката реагират на термични цикли по същия начин. 310S неръждаемата стомана, с по-високото си съдържание на хром и никел, поддържа своята пластичност по-добре от неръждаемата стомана 304 при циклични условия. Incoloy 800 и 840 предлагат още по-добра устойчивост на термична умора. Съпротивителният проводник също трябва да бъде избран за цикличен режим; високо{6}}температурните сплави като Cr20Ni80 поддържат механичните си свойства чрез повтарящи се термични цикли.
Ролята на плътността на мощността
Плътността на мощността също влияе върху това как нагревателят реагира на цикличност. Нагревател, работещ в горния край на препоръчителния обхват от 5–7 W/cm², ще загрее по-бързо, намалявайки времето, прекарано в критичната температурна зона, където окисляването е най-бързо. Но прекомерната плътност на мощността-над 7 W/cm²-създава вътрешни температури, които надвишават границите на материала, ускорявайки разграждането с всеки цикъл.
Практическа перспектива
В-реалните операции топлинният цикъл често е неизбежен. Производствените графици се променят. Възникват прозорци за поддръжка. Материалите свършват. Целта не е да се премахне колоезденето,-което рядко е практично,-а да се сведе до минимум въздействието му.
Правилната инсталация, стъпаловидно предварително нагряване, подходящ избор на материал и правилна плътност на мощността допринасят за 550-градусов патронен нагревател с един-край, който издържа на термични цикли. Нагревател, който е проектиран за циклична работа, монтиран правилно и експлоатиран обмислено, ще издържи повече от този, който е подложен на същите цикли без тези съображения.
