Qual a rugosidade de pico máxima permitida (Rz) no diâmetro interno da tubulação da bainha do aquecedor 316 evita o superaquecimento localizado devido à variação da resistência de contato com a camada de isolamento de MgO

A variável oculta da textura da superfície do furo na uniformidade da transferência de calor

O acabamento superficial do diâmetro interno, ou seja, a rugosidade do pico (Rz, altura máxima média dos picos superficiais) de tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 é um fator crítico para controlar a resistência de contato entre a bainha e a camada de isolamento de óxido de magnésio compactado (MgO). Para uma superfície interna rugosa com picos altos (Rz > 10-15 µm), o pó de MgO compacta de forma não uniforme: a alta pressão de contato nos picos resulta em maior condutividade térmica local, enquanto os vales (com menor pressão de contato ou entreferros) resultam em regiões de maior resistência térmica. A flutuação resultante na transferência de calor ao redor da circunferência e ao longo do eixo pode levar ao superaquecimento local do fio de resistência nos picos (onde a extração de calor é mais eficiente) ou nos vales (onde o calor é acumulado). Quando Rz é superior a 20 mícrons, podem surgir flutuações de temperatura local de 50 a 100 graus C, reduzindo a vida útil do fio em 2 a 5 vezes. Neste estudo, a correlação entre o diâmetro interno Rz, a uniformidade da resistência de contato e a vida útil do aquecedor é quantificada.

O mecanismo de variação da resistência de contato com a textura da superfície

A condutividade térmica do pó de MgO compactado não é uma constante do material, mas depende fortemente da pressão de contato entre o MgO e a bainha. Em locais onde a superfície interna da bainha tem um pico, a pressão de contato local é considerável (devido à estampagem) e força os cristais de MgO a entrarem em contato íntimo com o metal. No vale, onde a superfície é menos compactada, restam lacunas de ar (condutividade térmica=0.03 W/m·K) que funcionam como isolantes térmicos. A queda de temperatura sobre um entreferro é 50-200 vezes maior do que sobre uma região de MgO fortemente compactada para um fluxo de calor semelhante. O parâmetro essencial é a rugosidade do pico Rz (a altura do vale mais baixo ao pico mais alto), uma vez que os vales mais profundos geram a maior resistência térmica. Valores Rz de diâmetros internos maiores que 10-15 µm levarão a pontos quentes perceptíveis.

Correlação quantificada entre o diâmetro interno Rz e a uniformidade da temperatura

A análise de elementos finitos, corroborada por medições de termopares em 316 bainhas (10 mm de diâmetro externo, parede de 1,5 mm, fio de NiCr), com vários acabamentos de superfície de diâmetro interno, estabeleceu as seguintes conexões entre Rz, variação de temperatura e vida útil do fio.

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
Efeito da densidade de potência na sensibilidade Rz

O efeito adverso do alto Rz aumenta com o aumento da densidade de potência porque a mesma variação da resistência térmica proporciona um maior aumento absoluto da temperatura.

Densidade de potência (W/cm^2) Rz máximo permitido para vida útil do fio de 10.000 horas (um) Rz máximo permitido para vida útil do fio de 5.000 horas (um) Especificação recomendada para serviço padrão<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)
Acabamento de superfície: especificação prática do diâmetro interno

É raro que o acabamento superficial do diâmetro interno seja especificado em folhas de dados padrão para compradores que especificam aquecedores com bainha 316. A linguagem de especificação recomendada para aplicações de alta densidade de potência ou vida útil prolongada é a seguinte:

Power Density >5 W/cm2 Vida útil alvo Rz (µm) Diâmetro interno máximo Ra (µm) Diâmetro interno máximo Fabricação Processo necessário Método de verificação 20.000 horas<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
Identificação de campo de pontos quentes induzidos por 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. As seções vizinhas (com fio sobrevivente) têm Rz mais baixo. Para tais falhas, a solução é definir um limite inferior de Rz para compras futuras. O aquecedor não pode ser reparado.

Efeito do acabamento do diâmetro interno na compactação de MgO

Mesmo com um bom diâmetro 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. >A redução de 18% garante que até mesmo calhas profundas sejam preenchidas com MgO, mas pode danificar o fio de resistência. A melhor redução de estampagem para um determinado acabamento de diâmetro interno é:

Diâmetro interno Rz (µm) Redução mínima recomendada de estampagem (%) Redução máxima recomendada de estampagem (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Não recomendado N/A
CONCLUSÃO: Definição de Diâmetro Interno Rz para Aquecedores de Alta Potência

Para tubos de aquecimento elétrico com bainha de aço inoxidável 316 com densidade de potência > 5 W/cm 2, a rugosidade de pico (Rz) do diâmetro interno afeta a regularidade da resistência de contato com a camada isolante de MgO. Valores de Rz acima de 10 a 12 µm causam pontos quentes locais com mudanças de temperatura de 25 a 70 graus e reduzem a vida útil do fio em 40 a 60% em comparação com tubos de furo liso-. Ao solicitar bainhas 316 para aplicações de alta-potência ou longa{14}}vida útil, os engenheiros devem especificar um critério Rz de diâmetro interno máximo (por exemplo,<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15.000 horas), furo eletropolido (Rz<6 µm) is recommended.