In che modo lo spessore della parete della guaina in acciaio inossidabile 316 influisce sul flusso di calore critico e sul rischio di incendio nei riscaldatori elettrici ad immersione sommersi per applicazioni con acqua bollente?

Per gli ingegneri di processo che sviluppano riscaldatori elettrici a immersione per applicazioni con acqua bollente, ad esempio bollitori elettrici, generatori di vapore e caldaie industriali, il fenomeno del flusso di calore critico rappresenta un limite fondamentale alle prestazioni del riscaldatore. Il regime di ebollizione passa da ebollizione nucleata a ebollizione filmica quando il flusso di calore dalla guaina di acciaio inossidabile 316 all'acqua circostante supera un valore di soglia. Nell'ebollizione del film, il vapore forma uno strato continuo sulla superficie della guaina e il coefficiente di scambio termico diminuisce drasticamente tanto che la temperatura della guaina aumenta rapidamente. Questo fenomeno, chiamato burnout, può aumentare la temperatura della guaina di centinaia di gradi in pochi secondi, causando l'ossidazione del filo di resistenza, il guasto dell'isolamento in MgO o la rottura della guaina. Lo spessore della parete della guaina 316 determina l'entità del flusso di calore critico e il tempo di reazione termica dopo l'inizio dell'ebollizione del film. Questo documento valuta la relazione tra lo spessore della parete della guaina e il rischio di combustione e offre criteri di selezione per applicazioni con acqua bollente in presenza di flussi di calore elevati.

La fisica del flusso di calore critico e del burnout negli involucri di 316
I siti di nucleazione sulla superficie (guaina 316) sono i luoghi in cui si formano le bolle di vapore. Le bolle si separano e salgono attraverso il liquido asportando il calore in modo efficiente. Per l'ebollizione nucleata dell'acqua il coefficiente di scambio termico sarebbe compreso tra 5000 e 50000 W/m2.K. Ciò dipende dallo stato della superficie e dalla differenza di temperatura. All’aumentare del flusso di calore, aumenta la frequenza e la densità della produzione di bolle. Al flusso di calore critico le bolle di vapore si uniscono per produrre un rivestimento continuo di vapore sulla superficie della guaina. La conducibilità termica del rivestimento a vapore è circa 20 volte inferiore a quella dell'acqua liquida, determinando un notevole aumento della resistenza termica. Lo stesso flusso di calore richiede un aumento della temperatura superficiale della guaina, ma allo stesso modo lo spessore del film di vapore cresce con la temperatura, generando uno strato isolante autosufficiente. Per una guaina 316 in acqua satura a 100 gradi, il flusso di calore critico è solitamente di 1.000–1.500 kW/m² (100–150 W/cm²). Questo è di gran lunga superiore al range operativo dei riscaldatori a immersione industriali, che funzionano a 5–30 W/cm2. Tuttavia, piccoli punti caldi, incrostazioni superficiali o interruzioni del flusso possono ridurre il flusso di calore critico locale a valori di circa 50–80 W/cm2. Un riscaldatore con fattore di punto caldo del 50% a 20 W/cm2 può superare il flusso di calore critico locale. La temperatura aumenta molto rapidamente quando inizia l'ebollizione del film su una parte della guaina e il film di vapore può ricoprire l'intera superficie.

Come lo spessore della parete cambia i risultati del burnout
Quando la guaina 316 raggiunge l'ebollizione del film, il coefficiente di trasferimento del calore diminuisce da circa 10.000 W/m2·K a circa 500 W/m2·K. Per una densità di watt costante di 20 W/cm 2 (200 000 W/m 2 ) la differenza di temperatura tra la guaina e l'acqua richiesta aumenta da 20 C per l'ebollizione nucleata a 400 C per l'ebollizione della pellicola. La temperatura superficiale della guaina sale quindi da 120 gradi a circa 500 gradi. Tale aumento di temperatura è effettivamente immediato rispetto alla costante di tempo termica della guaina. La preoccupazione importante è se la temperatura del filo di resistenza interna raggiungerà il livello consentito – solitamente 800 gradi – prima che l’operatore o il sistema di controllo riconoscano la condizione e riducano la potenza? La temperatura del filo è la temperatura della superficie interna della guaina più la caduta di temperatura attraverso l'isolamento in MgO e qualsiasi spazio tra l'interfaccia e la superficie interna della guaina. Per una guaina a parete sottile-di 0,8-1,0 mm, la temperatura del filo durante l'ebollizione della pellicola può raggiungere 900-1.000 gradi in 5-10 secondi, causando una rapida ossidazione e guasti. La massa termica della guaina spessa (2,0-2,5 mm) assorbe il calore durante il primo evento di ebollizione del film, ritardando l'aumento di temperatura del filo di 20-40 secondi. Questo ritardo dà al sensore di temperatura o all'interruttore termico più tempo per reagire. Ma la guaina più spessa trattiene anche più calore, quindi una volta che si surriscalda, impiega più tempo a raffreddarsi dopo aver scollegato l'alimentazione. Il risultato finale è che le guaine a pareti spesse sono più tolleranti alle escursioni di ebollizione del film a breve termine, ma vengono danneggiate più gravemente se l'escursione è a lungo termine.

Modifica della superficie per il miglioramento del flusso di calore critico
Microstruttura superficiale e bagnabilità come fattori chiave che influenzano il flusso di calore critico di una guaina 316 Una superficie liscia e lucida ha un flusso di calore critico inferiore rispetto a una superficie ruvida o porosa, ciò è dovuto ai minori siti di nucleazione. La finitura superficiale abituale per guaine di spessore inferiore a 1,2 mm, utilizzando la procedura di pressatura, è 0,4–0,8 micron Ra. Per guaine con pareti spesse superiori a 1,8 mm la superficie può essere più ruvida a causa delle varie procedure di produzione con finiture di 1,0-2,0 micron Ra. La superficie più ruvida può aumentare il flusso di calore critico del 20-30% a causa dell'aumento dei siti di nucleazione. In servizio di bollitura, le guaine a pareti spesse forniscono quindi un duplice vantaggio, vale a dire che hanno una massa termica maggiore per ritardare il danno da combustione, e la loro superficie tipicamente più ruvida aumenta la soglia della combustione. La seguente tabella fornisce gli spessori delle pareti consigliati per le guaine 316 nel servizio con acqua bollente, in base alla densità di watt operativa e alla qualità dell'acqua.

Densità di Watt Qualità dell'acqua Spessore minimo della parete consigliato 316 Spessore massimo della parete consigliato 316 Meccanismo di protezione dal burnout del margine del flusso di calore critico
fino a 15 W/cm2 Pulito, a basso contenuto di solidi 0,8 mm 1,6 mm 5 – 8× Parete sottile OK; basso rischio 15 – 25 W/cm² Pulito, basso contenuto di solidi 1,2 mm 2,0 mm 3 – 5× Lo spessore moderato fornisce massa termica
25 – 35 W/cm² Pulito, a basso contenuto di solidi 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× Parete spessa necessaria per la tolleranza alla combustione
3 – 5× Parete più spessa Aree calde causate dal calcare Acqua dura, potenziale di calcare 1,2 mm 2,0 mm Fino a 15 W/cm²
15 – 25 W/cm² Acqua dura, potenziale di formazione di calcare 1,6 mm 2,5 mm 2 – 3× È necessaria una parete spessa; è necessaria una decalcificazione periodica
Qualsiasi densità di watt Acqua de-mineralizzata 1,0 mm 1,6 mm Variabile L'acqua de-mineralizzata ha un flusso di calore critico inferiore; evitare un'elevata densità di watt
L'acciaio inossidabile 316 è generalmente sconsigliato per applicazioni superiori a 25 W/cm² in acqua bollente, indipendentemente dallo spessore della parete. Il margine rispetto al flusso di calore critico è troppo piccolo e qualsiasi situazione transitoria come un calo del livello dell’acqua, una variazione di pressione o un’incrostazione superficiale può innescare il burnout. In tali casi, gli ingegneri potrebbero studiare l'uso di Incoloy 825 o di un riscaldatore rivestito con termocoppie integrate e regolazione della potenza attiva.

Approcci progettuali per la prevenzione del burnout di guaine a pareti sottili-
Tre soluzioni progettuali potrebbero mitigare il rischio di esaurimento quando è necessario utilizzare una guaina 316 a pareti sottili- < 1,2 mm nel servizio con acqua bollente, solitamente per una risposta termica rapida. Il primo e più importante è stabilire un sistema di misurazione della temperatura ridondante. Il rapido aumento della temperatura dovuto all'ebollizione del film può essere rilevato dalla termocoppia fissata sulla superficie della guaina o dal rilevatore di temperatura della resistenza inserito nell'MgO in 1-2 secondi, attivando l'interruzione dell'alimentazione prima che il filo venga danneggiato. La seconda tecnica consiste nel funzionare con un limitatore di potenza fisso che limiti la densità di watt a non superare l'80% del flusso di calore critico calcolato in base alla qualità dell'acqua. Ciò può limitare il funzionamento a 40–50 W/cm² per l'acqua demineralizzata, che è ancora elevato ma fornisce un certo buffer. La terza tecnica consiste nel migliorare la circolazione dell'acqua sulla superficie della guaina. Il flusso di calore critico dell'ebollizione a convezione forzata può essere tre volte maggiore di quello dell'ebollizione in piscina. Il limite operativo sicuro può essere aumentato da 100 W/cm 2 a 300 W/cm 2 utilizzando una pompa di circolazione o un agitatore. Se queste tattiche non vengono adottate, una guaina a pareti spesse rappresenta il metodo più semplice e affidabile per prevenire il burnout nelle applicazioni con acqua bollente. La penalità in termini di efficienza termica della parete spessa è accettabile per i vantaggi in termini di sicurezza e affidabilità.