Quale massima rugosità di picco consentita (Rz) sul diametro interno del tubo della guaina del riscaldatore 316 impedisce il surriscaldamento localizzato dovuto alla variazione della resistenza di contatto con lo strato isolante MgO

La variabile nascosta della struttura della superficie del foro nell'uniformità del trasferimento di calore

La finitura superficiale del diametro interno, ovvero la rugosità dei picchi (Rz, altezza massima media dei picchi superficiali) dei tubi riscaldanti elettrici avvolti in acciaio inossidabile 316 è un fattore critico per controllare la resistenza di contatto tra la guaina e lo strato isolante compattato di ossido di magnesio (MgO). Per una superficie interna ruvida con picchi elevati (Rz > 10-15 µm), la polvere di MgO si compatta in modo non uniforme: l'elevata pressione di contatto sui picchi si traduce in una maggiore conduttività termica locale, mentre le valli (con pressione di contatto o traferri inferiori) danno luogo a regioni con maggiore resistenza termica. La conseguente fluttuazione nel trasferimento di calore attorno alla circonferenza e lungo l'asse potrebbe portare al surriscaldamento locale del filo di resistenza nei picchi (dove l'estrazione del calore è più efficiente) o nelle valli (dove il calore viene accumulato). Quando Rz è maggiore di 20 micron, potrebbero verificarsi fluttuazioni locali della temperatura di 50-100 gradi C, riducendo la durata del filo di 2-5 volte. In questo studio viene quantificata la correlazione tra diametro interno Rz, uniformità della resistenza di contatto e durata del riscaldatore.

Il meccanismo di variazione della resistenza di contatto con la struttura della superficie

La conduttività termica della polvere di MgO compattata non è una costante del materiale ma dipende fortemente dalla pressione di contatto tra MgO e la guaina. Nei punti in cui la superficie interna della guaina presenta un picco, la pressione di contatto locale è considerevole (a causa della ricalcatura) e forza i cristalli di MgO a stretto contatto con il metallo. Nella valle, dove la superficie è meno compattata, vengono lasciati dei vuoti d'aria (conduttività termica=0.03 W/m·K) che funzionano come isolanti termici. La caduta di temperatura su un traferro è 50-200 volte maggiore rispetto a una regione di MgO strettamente compattata per un flusso di calore simile. Il parametro essenziale è la rugosità del picco Rz (l'altezza dalla valle più bassa al picco più alto) poiché le valli più profonde generano la massima resistenza termica. I valori Rz di diametri interni superiori a 10-15 µm porteranno a punti caldi evidenti.

Correlazione quantificata tra diametro interno Rz e uniformità della temperatura

L'analisi degli elementi finiti, confermata dalle misurazioni della termocoppia su 316 guaine (diametro esterno 10 mm, parete 1,5 mm, filo NiCr), con varie finiture superficiali del diametro interno, ha stabilito le seguenti connessioni tra Rz, variazione di temperatura e durata del filo.

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
Effetto della densità di potenza sulla sensibilità Rz

L'effetto negativo di un Rz elevato aumenta con l'aumento della densità di potenza perché la stessa variazione della resistenza termica dà un maggiore aumento assoluto della temperatura.

Densità di potenza (W/cm^2) Rz massimo consentito per una durata del cavo di 10.000 ore (um) Rz massimo consentito per una durata del cavo di 5.000 ore (um) Specifiche consigliate per il servizio standard<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)
Finitura superficiale: specifica pratica del diametro interno

È raro che la finitura superficiale del diametro interno venga specificata nelle schede tecniche standard per gli acquirenti che specificano i riscaldatori con guaina 316. Il linguaggio delle specifiche consigliato per applicazioni ad alta densità di potenza o di lunga durata è il seguente:

Power Density >5 W/cm2 Durata utile target Rz (μm) Diametro interno massimo Ra (μm) Diametro interno massimo Mfg Processo Metodo di verifica richiesto 20.000 ore<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
Identificazione sul campo degli hot spot indotti da 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 µm. Le tratte vicine (con filo sopravvissuto) hanno Rz inferiore. Per tali fallimenti il ​​rimedio è fissare un limite Rz inferiore per gli acquisti futuri. Il riscaldatore non è riparabile.

Effetto della finitura del diametro interno sulla compattazione di MgO

Anche con un buon diametro interno 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. >Una diminuzione del 18% garantisce che anche le cavità profonde siano riempite di MgO, ma potrebbe danneggiare il filo della resistenza. La migliore riduzione della pressatura per una data finitura del diametro interno è:

Diametro interno Rz (μm) Riduzione minima raccomandata di ricalcatura (%) Riduzione massima raccomandata di ricalcatura (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Non consigliato N/D
CONCLUSIONE: Definizione del diametro interno Rz per riscaldatori ad alta potenza

Per i tubi riscaldanti elettrici con guaina in acciaio inox 316 con densità di potenza > 5 W/cm 2, la rugosità di picco (Rz) del diametro interno influenza la regolarità della resistenza di contatto con lo strato isolante di MgO. I valori Rz superiori a 10-12 µm causano punti caldi locali con variazioni di temperatura da 25 a 70 gradi e riducono la durata del filo dal 40 al 60% rispetto ai tubi-con diametro liscio. Quando si ordinano guaine 316 per applicazioni ad alta-potenza o lunga-durata, gli ingegneri devono specificare un criterio Rz del diametro interno massimo (ad es.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15.000 ore), foro elettrolucidato (Rz<6 µm) is recommended.