1.0 ミリメートルの 316 ステンレス鋼シースと 2.0 ミリメートルのシースは、垂直浸漬ヒーターで液体被覆が偶発的に失われた場合の乾熱損傷を防ぐ点でどのように異なりますか?{3}

液体被覆率の偶発的な喪失{0}}空焚き-は、プラントの安全技術者や機器の仕様者にとって、タンク、サンプ、プロセス容器に設置された垂直浸漬ヒーターの最も一般的かつ壊滅的な故障原因の 1 つです。液体レベルがシースの加熱領域を下回ると、液体に伝えられた熱がシースと抵抗線内で放散されます。急激な温度上昇はワイヤの酸化、MgO 絶縁体の劣化を引き起こし、最終的にはシースの破断や電気的故障を引き起こします。 316 ステンレス鋼のシースの壁の厚さは、乾式燃焼時の損傷時間と最高温度の重要なパラメータです。{6}}この記事では、重要な用途におけるリスク軽減の推奨事項として、同じ出力と露出設定の下での 1.0 mm と 2.0 mm の壁シースの乾式燃焼性能の定量的な比較を示します。{8}}

肉厚の関数としての乾式燃焼状態に対する熱応答-
垂直浸漬ヒーターが液体で浸漬すると、シース表面の熱伝達係数は、沸騰水中での約 5,000-10,000 W/m2-K または撹拌油中での 500-1,000 W/m2-K から、静止空気中での約 50～100 W/m2-K まで低下します。この 100 分の 1 の低減には、同じ熱流束 . 10 W/cm2 (100,000 W/m2) のヒーターを自然対流係数 50 W/m2-K の空気中に分散させるためにシース表面温度を大幅に上昇させる必要があり、定常状態の表面温度は周囲温度よりも 100,000/50=2,000 度高く、316 ステンレス鋼の融点をはるかに超えています。実際には、ヒーターは平衡状態に達することはありません。代わりに、抵抗線が断線するかサーマルカットオフが作動するまで加熱されます。シースと内部部品の熱質量により、ドライバーン時の温度上昇率が制御されます。 1.0 mm 壁シースの単位面積あたりの熱質量は、2.0 mm シースのほぼ半分です。したがって、その温度は乾式燃焼の最初の数秒で約 2 倍の速度で上昇します。静止空気中での 10 W/cm2 での外径 10 mm のシースの実験データは、1.0 mm の壁は外表面で 400 度に 8 秒で達するのに対し、2.0 mm の壁では 400 度に達するまでに 16 秒かかることを示しています。ただし、2.0 mm シースはより多くの熱を保持するため、電力が遮断された場合でも臨界温度以上に長く留まります。

最高温度と故障までの時間の比較
316 ケース入りヒーターの臨界故障温度は、内部ニッケル-クロム抵抗線の酸化限界によって決まり、連続使用の場合は約 800-850 度です。 MgO 絶縁層のおかげで、乾式燃焼中のワイヤの温度はシースの内面の温度より約 50 ～ 100 度高くなります。{25}}ワイヤ温度は 800 度に達し、700 度で内部シースの表面で急速酸化が始まります。この閾値に達するまでの時間は壁の厚さの関数です。壁が 1.0 mm の場合、シースの内面は静止空気中で 10 W/cm 2 で約 25 秒後に 700 ℃ に達します。ワイヤーの開路障害が発生するまでの合計時間は約 35 ～ 45 秒です。同じ条件下で壁厚が 2.0 mm の場合、内側シースの表面は約 55 秒後に 700 度に達し、75 ～ 90 秒の間にワイヤの破損が発生します。被覆が厚いと、ドライバーンの生存時間は 2 ～ 2.5 倍長くなります。この区別は、サーマル カットオフまたはレベル スイッチの応答に数秒かかる可能性があるアプリケーションにとって非常に重要です。 1.0 mm のシースでは、応答が遅い機械式サーモスタットが開く前に故障する可能性がありますが、2.0 mm のシースには、反応時間を埋めるのに十分な熱慣性があります。

乾燥-燃焼生存率マトリックスの比較
以下の表は、さまざまな動作設定におけるドライバーン発生に対する 1.0 mm と 2.0 mm の 316 シースの性能を直接比較したものです。{3}}値は、液体の損失後の静止空気中での垂直浸漬ヒーター、および積極的な冷却や強制対流がないことを意味します。

ワット密度 乾燥-燃焼 オペレーティングシースの壁の厚さ 400 度での外面までの時間 700 度での内面までの時間 配線故障までの合計時間 推奨される保護戦略
5 W/cm2 1.0 mm 12 秒 40 秒 55 – 70 秒 即効サーマルカットオフ (< 30 秒)
5 W/cm² 2.0 mm 24 秒 85 秒 110 - 140 秒 標準サーマルカットオフ許容可能 10 W/cm² 1.0 mm 8 秒 25 秒 35 - 45 秒 電子レベルスイッチ 5 秒の応答が必要
10 W/cm2 2.0 mm 16 秒. 55 秒. 75 – 90 秒標準のサーマルカットオフまたはレベルスイッチ許容可能 15 W/cm2 1.0 mm 5 秒. 16 秒. 22 – 30 秒冗長保護は必須です。高リスク 15 W/cm2 2.0 mm 11 秒. 38 秒. 50 – 65 秒急速サーマルカットオフは 20 W/cm2 1.0 mm 4 秒. 12 秒. 17 – 22 秒を推奨します。推奨されません。どのような保護も遅すぎる可能性があります。
20 W/cm² 2.0 mm 8 秒 28 秒 40 – 50 秒2 秒反応 電子的保護が必要
ワット密度が 15 W/cm 2 を超え、壁が 1.2 mm 未満の薄肉の用途では、乾式燃焼の生存時間が非常に短いため、ソリッドステート リレーに接続されたシースに埋め込まれた熱電対など、秒未満の応答を備えた電子保護のみが損傷を防ぐことができます。-機械式サーモスタットと温度ヒューズの応答時間は 5 ～ 15 秒であり、生存可能時間の枠をはるかに超えています。

乾燥燃焼耐性を高めるための設計変更-
3 つの設計変更により、熱応答に薄壁の 316 シースが必要な場合でも生存時間を延長できますが、乾式火傷のリスクはあります。最も簡単な方法は、液体レベルが加熱部分よりも低くなったときに電気をオフにする、別個の低水遮断装置を追加することです。最低液体レベルに配置された導電率プローブまたはフロート スイッチは、ヒーターが露出する前に保護を提供します。 2 番目の変更は、ヒーター上部のワット密度を下げることです。先細りのワット密度設計により、露出の可能性が最も高い上部の単位長さあたりの電力が - 削減され、- ヒーターの総電力を犠牲にすることなく、空焚きの生存時間が向上します。-最後の変更は、熱電対を 316 シースの内面に直接配置することです。このセンサーは乾式燃焼の急速な温度上昇を 1-2 秒で検出できるため、ワイヤが臨界温度に達する前に制御システムが電源をオフにすることができます。これは、重要なオペレーションにおける高信頼性ヒーターの実装の一般的な方法です。ほとんどの産業用途では、2.0 mm の壁シースが乾熱に対するシンプルかつ耐久性のある保護を提供します。-。生存期間が長くなったことで、通常の保護システムが一貫して機能し、厚い壁が時折発生する短時間の空焚き事故にも永久的な損傷を与えることなく耐えることができます。-エンジニアはメーカーから決定された安全な壁の厚さを要求し、予期される乾式燃焼保護反応時間を説明する必要があります。-サプライヤーがこの研究を提供できない場合、乾式燃焼状況の熱力学を完全には理解していない可能性があります。-壁の厚さを 1.0 mm から 2.0 mm に増やすコストは、材料の過熱による生産停止や火災の危険につながるヒーターの故障によるコストに比べれば、わずかです。よくわからない場合は、より厚い壁を選択し、ドライバーンの耐久性のために熱効率に若干のペナルティを支払ってください。