चक्रीय 250 डिग्री सेल्सियस वायु तापन सेवा में 1.8 मिलीमीटर दीवार मोटाई वाला 316 स्टेनलेस स्टील शीथ 1.2 मिलीमीटर दीवार की तुलना में कम थर्मल थकान जीवन क्यों प्रदर्शित करता है?

औद्योगिक ओवन, एयर डक्ट हीटर और थर्मल चक्र कक्षों के लिए विद्युत विसर्जन हीटर विकसित करने वाले इंजीनियरों के लिए, शीथ दीवार की मोटाई का चयन यांत्रिक मजबूती और थर्मल थकान प्रतिरोध के बीच एक समझौता है। विडंबना यह है कि दीवार के आर-पार तापमान में उतार-चढ़ाव बड़े थर्मल तनाव की ओर ले जाता है, और इसलिए, मोटी दीवारें आमतौर पर चक्रीय वायु तापन सेवा में जल्दी विफल हो जाती हैं। मोटी दीवार वाले म्यान को हवा में गर्म या ठंडा करते समय, गर्म करने के दौरान बाहरी सतह भीतरी सतह की तुलना में काफी गर्म हो जाती है और ठंडा करने के दौरान काफी ठंडी हो जाती है, क्योंकि हवा में गर्मी हस्तांतरण गुणांक कम होता है। यह अंतर विस्तार चक्रीय प्लास्टिक तनाव को प्रेरित करता है जिसके परिणामस्वरूप थकान टूटती है। यह पेपर चक्रीय 250C वायु संचालन में 1.2 मिमी शीथ की तुलना में 1.8 मिमी 316 शीथ की तेजी से विफलता के कारणों का आकलन करता है। प्रायोगिक डेटा और परिमित तत्व विश्लेषण निष्कर्ष दिए गए हैं।

हवा में पतले और मोटे आवरणों में थर्मल ग्रेडिएंट विकास
वायु तापन सेवा के लिए, मजबूर संवहन के लिए म्यान की सतह और आसपास की हवा के बीच गर्मी हस्तांतरण गुणांक आमतौर पर 20-100 W/m²·K होता है, जबकि जल विसर्जन के लिए यह 1,000-10,000 W/m²·K होता है। कम मूल्य का तात्पर्य है कि गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए म्यान की सतह का तापमान थोक हवा के तापमान से काफी अधिक होना चाहिए। 10 वाट घनत्व W/सेमी 2 पर, वायु ताप हस्तांतरण गुणांक 50 W/m 2 .K, तापमान अंतर, थोक हवा के लिए म्यान की सतह, 200 डिग्री सेल्सियस है। 250 डिग्री के थोक वायु तापमान पर म्यान की सतह का तापमान 450 डिग्री होना चाहिए। म्यान की दीवार पर तापमान में गिरावट की गणना फूरियर के नियम का उपयोग करके की जाती है: ΔTwall=q*t/k जहां q ताप प्रवाह (100,000 W/m2) है, t दीवार की मोटाई है, और k 316 (15 W/mK) की तापीय चालकता है। 1.2 मिमी की दीवार मोटाई के लिए, ΔT_दीवार=100,000 × 0.0012 / 15=8 डिग्री। भीतरी सतह पर तापमान 458 डिग्री है. 1.8 मिमी दीवार के लिए: ΔTwall=100,000 × 0.0018 / 15=12 डिग्री। अंदर का तापमान 462 डिग्री है. किसी भी स्थिति में दीवार के पार तापमान का अंतर मामूली होता है। हालाँकि, परिवेश से स्थिर अवस्था में क्षणिक तापन के दौरान, बाहरी सतह आंतरिक सतह की तुलना में अधिक तेजी से गर्म होती है। शक्ति का उपयोग करने पर, 10 सेकंड के भीतर, 1.8 मिमी म्यान की बाहरी सतह 300 डिग्री तक पहुंच सकती है, जबकि आंतरिक सतह केवल 50 डिग्री पर, 250 डिग्री की एक अस्थायी ΔT_दीवार देती है। 1.2 मिमी म्यान के लिए, समान क्षणिक ~170 डिग्री की ΔT_दीवार देता है। क्षणिक तापीय तनाव \\Delta T_{दीवार} के समानुपाती होता है इसलिए 1.8 मिमी म्यान में 47% अधिक क्षणिक तापीय तनाव होता है।

चक्रीय प्लास्टिक तनाव संचय और थकान क्षति
यदि क्षणिक तापीय तनाव ऑपरेटिंग तापमान पर 316 की उपज शक्ति से अधिक हो जाता है, तो सामग्री 300 C पर लगभग 200 MPa से अधिक हो जाती है। प्रत्येक ताप चक्र तापन प्रक्रिया में बाहरी सतह पर और शीतलन प्रक्रिया में आंतरिक सतह पर प्लास्टिक तनाव में मामूली वृद्धि उत्पन्न करता है। यह प्लास्टिक स्ट्रेन हजारों चक्रों में विकसित होता है और अंततः थकान दरारों की शुरुआत का कारण बनता है। कम {{8}चक्र थर्मल थकान को कॉफ़िन {{9}मैनसन सूत्र () एन एफ=Δε पी सी 1 (1) द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जहां एन एफ विफलता तक चक्रों की संख्या है, Δε पी प्रति चक्र प्लास्टिक तनाव सीमा है, और सी और भौतिक स्थिरांक हैं। प्लास्टिक स्ट्रेन में एक छोटा सा बदलाव चक्र की विफलता को काफी हद तक कम कर देता है। 10 डब्लू/सेमी2 पर 20 डिग्री से 250 डिग्री थोक तापमान तक चक्रीय वायु तापन में 316 आवरणों का परिमित तत्व विश्लेषण प्लास्टिक उपभेदों की निम्नलिखित श्रेणियों की भविष्यवाणी करता है। 1.2 मिमी की दीवार मोटाई के लिए, Δε_p=0.0012 (0.12%) और अपेक्षित जीवन चक्र लगभग 25000 हैं। 1.8 मिमी की दीवार मोटाई के लिए, Δε_p=0.0028 (0.28%) और अनुमानित जीवन चक्र लगभग 8,000 की विफलता है। 2.5 मिमी की दीवार की मोटाई के लिए, Δε_p विफलता तक लगभग 2,500 चक्रों के साथ 0.0055 (0.55%) है। 10 W/cm^2 पर 20C और 250C वायु तापमान के बीच चक्रित परीक्षण हीटरों पर प्रायोगिक सत्यापन से पता चलता है कि 1.2 मिमी के लिए 22,000, 1.8 मिमी के लिए 7,500, और 2.5 मिमी के लिए 2,200 की औसत विफलता पूर्वानुमान के साथ उत्कृष्ट समझौता है। 50% अधिक सामग्री होने के बावजूद, 1.8 मिमी शीथ 1.2 मिमी शीथ के ~1/3 चक्रों पर विफल हो जाता है।

चक्रीय वायु तापन सेवा के लिए सुझाई गई दीवार की मोटाई
निम्नलिखित तालिका चक्रीय वायु तापन कर्तव्य में विद्युत विसर्जन हीटरों के लिए अनुशंसित 316 म्यान दीवार की मोटाई निर्दिष्ट करती है, जो हीटर के सेवा जीवन के दौरान अधिकतम थोक वायु तापमान, वाट घनत्व और थर्मल चक्रों की अपेक्षित संख्या पर निर्भर करती है।

अधिकतम बल्क वायु तापमान वाट घनत्व अपेक्षित थर्मल चक्र जीवन भर अनुशंसित अधिकतम 316 दीवार की मोटाई अनुमानित चक्र अनुशंसित मोटाई विफलता मोड पर विफलता के लिए
150 डिग्री 8 - 12 डब्लू/सेमी² <5,000 2.0 मिमी 12,000 5,000+ चक्रों के बाद थर्मल थकावट
150 डिग्री 8 - 12 डब्लू/सेमी² 5,000 - 15, 000 1.6 मिमी 18,000 थर्मल थकान मार्जिन
150°C 8 – 12 W/cm² >15,000 1.2 मिमी 25,000 15,{5}} चक्रों के लिए सुरक्षित
200 डिग्री 6 - 10 डब्लू/सेमी² <5,000 1.6 मिमी 15,000 कम -साइकिल सेवा के लिए स्वीकार्य
200 डिग्री 6 - 10 डब्लू/सेमी² 5,000 - 10, 000 1.2 मिमी 22,000 मध्यम चक्र के लिए अनुशंसित
200°C 6 – 10 W/cm² >10,000 1.0 मिमी 30,000 उच्च साइकिल सेवा के लिए पतली दीवार
250 डिग्री 5 - 8 डब्लू/सेमी2 2 से कम, {{5 }} मिमी 14,000 कम {{8}चक्र स्वीकार्य 250 डिग्री 5 - 8 डब्लू/सेमी 2 2,000 - 5, {{15 }} मिमी 22,000 मानक सिफ़ारिश 250 डिग्री 5 - 8 डब्लू/सेमी2 5 से अधिक,{{23 }} मिमी 28,000 पतली दीवार के लिए आवश्यक उच्च - चक्र 300 डिग्री 4 - 6 डब्ल्यू/सेमी2 1 से कम, 000 1.2 मिमी 18,000 सीमांत; मिश्रधातु उन्नयन पर विचार करें 300 डिग्री 4 - 6 डब्लू/सेमी2 1,000 से अधिक अनुशंसित नहीं 10,000 से नीचे हवाई सेवा के लिए इंकोलॉय 800एच का उपयोग करें
250C थोक तापमान से ऊपर चक्रीय वायु तापन के लिए 316 स्टेनलेस स्टील दीवार की मोटाई की परवाह किए बिना उत्तरोत्तर सीमांत है। उच्च क्षणिक थर्मल तनाव और तेजी से ऑक्सीकरण थकान जीवन को गंभीर रूप से छोटा कर देता है। इस मामले में, इंजीनियर को Incoloy 800H निर्दिष्ट करना चाहिए। इस सामग्री में उच्च तापीय चालकता (300 डिग्री पर लगभग 25 W/m·K) और तापीय विस्तार का कम गुणांक (316 के लिए 17 × 10⁻⁶ / डिग्री के विपरीत 14 × 10⁻⁶ / डिग्री) है। यह समान दीवार मोटाई के लिए थर्मल तनाव को लगभग 30% कम कर देता है।

थर्मल थकान जीवन विस्तार डिजाइन परिवर्तन
यदि यांत्रिक या संक्षारण बाधाओं के कारण चक्रीय वायु तापन कर्तव्य के लिए 1.6 मिमी से अधिक मोटी दीवार वाली 316 म्यान की आवश्यकता होती है, तो तीन डिज़ाइन समायोजन थर्मल थकान जीवन को बढ़ा सकते हैं। सबसे पहले हीटिंग और कूलिंग की रैंप दरों को धीमा करना है। एक हीटर जो पूर्ण तापमान प्राप्त करने में 10 सेकंड के बजाय 60 सेकंड लेता है, उसमें क्षणिक तापमान प्रवणता काफी कम होगी। 5 डिग्री/सेकेंड की रैंप दर ΔT_wall मान 25 डिग्री/सेकेंड के रैंप से ~40% कम देती है, जो थर्मल थकान जीवन को लगभग दोगुना कर देती है। दूसरा परिवर्तन परिवेश को पूर्ण शीतलन की अनुमति देने के बजाय न्यूनतम स्टैंडबाय तापमान पर चलाना है। 20 डिग्री और 250 डिग्री के बजाय 150 डिग्री और 250 डिग्री के बीच चलने वाले हीटर के लिए, ΔT_wall 70% कम हो जाता है जिससे थकान जीवन में 5 से 10 गुना वृद्धि होती है। तीसरा परिवर्तन एक पोस्टस्वेज तनाव राहत वार्षिकी की मांग करना है। एनीलिंग बाहरी सतह पर लाभप्रद संपीड़ित अवशिष्ट तनाव को कम करता है, लेकिन आंतरिक सतह पर तन्य अवशिष्ट तनाव को कम करता है, जो फ्रैक्चर गठन को बढ़ावा दे सकता है। एनील्ड 1.8 मिमी शीथ का थर्मल थकान जीवन 1.8 मिमी स्वैज्ड शीथ की तुलना में लगभग 20 - 30% अधिक है। अधिकांश चक्रीय वायु तापन अनुप्रयोगों के लिए लंबे थर्मल थकान जीवन को प्राप्त करने का सबसे अच्छा और सरल तरीका 1.2 मिमी या उससे पतले 316 शीथ का उपयोग करना है। 1.2 मिमी मोटी दीवार का थर्मल प्रदर्शन बेहतर है और इसकी यांत्रिक शक्ति कम दबाव वाली वायु प्रणालियों के लिए पर्याप्त है। जो इंजीनियर वायु तापन सेवा में "स्थायित्व" के लिए बड़ी दीवारों का अनुरोध करते हैं, वे गलती से एक ऐसा सिस्टम चुन रहे हैं जो जल्द ही टूट जाएगा। सही विशिष्टता प्राप्त करने के लिए आपको यह समझने की आवश्यकता है कि थर्मल साइक्लिंग में पतली दीवारें कम मजबूत नहीं होती हैं। हीटर निर्माताओं को आवश्यकताओं को प्रस्तुत करते समय, हमेशा थर्मल चक्रों की अपेक्षित संख्या और वांछित रैंप दर का संकेत दें। एक विशेषज्ञ चक्रीय एयर हीटर निर्माता सामान्य यांत्रिक शक्ति नियमों के लिए नहीं, बल्कि इन कारकों के लिए उपयुक्त दीवार की मोटाई निर्धारित करेगा।