Jaká maximální přípustná vrcholová drsnost (Rz) na vnitřním průměru trubice ohřívače 316 zabraňuje lokalizovanému přehřátí v důsledku kolísání kontaktního odporu s izolační vrstvou MgO

Skrytá proměnná textury povrchu vývrtu v rovnoměrnosti přenosu tepla

Povrchová úprava vnitřního průměru, tj. špičková drsnost (Rz, průměrná maximální výška povrchových špiček) elektrických topných trubek 316 obalených nerezovou ocelí je kritickým faktorem pro řízení kontaktního odporu mezi pláštěm a izolační vrstvou zhutněného oxidu hořečnatého (MgO). Pro drsný vnitřní povrch s vysokými vrcholy (Rz > 10-15 µm) se prášek MgO zhutňuje nestejnoměrně: vysoký kontaktní tlak na vrcholech má za následek vyšší místní tepelnou vodivost, zatímco prohlubně (s nižším kontaktním tlakem nebo vzduchovými mezerami) vedou k oblastem s vyšším tepelným odporem. Následné kolísání přenosu tepla po obvodu a dolů po ose může vést k místnímu přehřátí odporového drátu ve špičkách (kde je odběr tepla nejúčinnější) nebo v prohlubních (kde se teplo akumuluje). Když je Rz větší než 20 mikronů, může dojít ke kolísání místní teploty o 50-100 stupňů C, což snižuje životnost drátu 2-5krát. V této studii je kvantifikována korelace vnitřního průměru Rz, stejnoměrnosti kontaktního odporu a životnosti ohřívače.

Mechanismus kolísání kontaktního odporu s povrchovou texturou

Tepelná vodivost zhutněného prášku MgO není materiálovou konstantou, ale silně závisí na kontaktním tlaku mezi MgO a pláštěm. V místech, kde má vnitřní povrch pláště vrchol, je místní kontaktní tlak značný (v důsledku pěchování) a nutí krystaly MgO do těsného kontaktu s kovem. V údolí, kde je povrch nejméně zhutněný, jsou ponechány vzduchové mezery (tepelná vodivost=0.03 W/m·K), které fungují jako tepelné izolátory. Pokles teploty ve vzduchové mezeře je 50-200krát větší než v těsně zhutněné oblasti MgO pro podobný tepelný tok. Základním parametrem je vrcholová drsnost Rz (výška od nejnižšího údolí k nejvyššímu vrcholu), protože nejhlubší údolí vytvářejí nejvyšší tepelný odpor. Hodnoty Rz vnitřních průměrů větších než 10-15 µm povedou ke znatelným horkým místům.

Kvantitativní korelace mezi vnitřním průměrem Rz a stejnoměrností teploty

Analýza konečných prvků, potvrzená měřením termočlánků na 316 pláštích (10 mm OD, 1,5 mm stěna, NiCr drát), s různými povrchovými úpravami vnitřního průměru, prokázala následující souvislosti mezi Rz, teplotními změnami a životností drátu.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Vliv hustoty výkonu na citlivost Rz

Nepříznivý účinek vysokého Rz roste s rostoucí hustotou výkonu, protože stejná změna tepelného odporu dává větší absolutní nárůst teploty.

Hustota výkonu (W/cm^2) Maximální přípustné Rz pro životnost drátu 10 000 hodin (um) Maximální přípustné Rz pro životnost drátu 5 000 hodin (um) Doporučená specifikace pro standardní servis<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Povrchová úprava: Praktická specifikace vnitřního průměru

Je vzácné, aby byla povrchová úprava vnitřního průměru uvedena ve standardních technických listech pro odběratele s uvedením 316 opláštěných ohřívačů. Doporučený jazyk specifikace pro aplikace s vysokou hustotou výkonu nebo prodlouženou životností je následující:

Power Density >5 W/cm2 Cílová životnost Rz (µm) Max. vnitřní průměr Ra (µm) Max. vnitřní průměr Mfg Proces Požadovaný ověřovací metoda20 000 hodin<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Polní identifikace horkých míst indukovaných Rz

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 um. Sousední sekce (s přeživším drátem) mají nižší Rz. Pro taková selhání je nápravou stanovení nižšího limitu Rz pro budoucí nákupy. Ohřívač nelze opravit.

Vliv povrchové úpravy vnitřního průměru na hutnění MgO

I s dobrým vnitřním průměrem Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >Snížení o 18 % zajišťuje, že i hluboké žlaby budou naplněny MgO, ale mohou poškodit odporový drát. Nejlepší redukce pěchování pro daný vnitřní průměr povrchové úpravy je:

Vnitřní průměr Rz (µm) Doporučené minimální snížení pěchování (%) Doporučené maximální snížení pěchování (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Nedoporučuje se N/A
ZÁVĚR: Definice vnitřního průměru Rz pro vysokovýkonné ohřívače

U elektrických topných trubek s pláštěm z nerezové oceli 316 při výkonové hustotě > 5 W/cm 2 ovlivňuje špičková drsnost (Rz) vnitřního průměru pravidelnost kontaktního odporu s izolační vrstvou MgO. Hodnoty Rz nad 10 až 12 µm způsobují místní horká místa s teplotními změnami o 25 až 70 stupňů a snižují životnost drátu o 40 až 60 % ve srovnání s hadičkami s hladkým{10}}vrtáním. Při objednávání 316 pouzder pro aplikace s vysokým-výkonem nebo dlouhou{14}životností musí inženýři specifikovat kritérium maximálního vnitřního průměru Rz (např.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15 000 hodin), elektrolyticky leštěný vývrt (Rz<6 µm) is recommended.