V aplikáciách priemyselného vykurovania, kde je hustota výkonu-výkon na jednotku plochy, zvyčajne vyjadrený vo W/cm²-zásadným konštrukčným a prevádzkovým parametrom, sú vykurovacie telesá z nehrdzavejúcej ocele nevyhnutnou súčasťou. Pri príliš vysokej hustote výkonu vzniká množstvo technických problémov a bezpečnostných rizík.
Zhoršenie vlastností materiálu je výsledkom nadmernej hustoty výkonu. V dôsledku toho sa povrchová teplota ohrievača výrazne zvýši a prekročí teplotné limity materiálu. Odporúčaná dlhodobá-pracovná teplota pre nehrdzavejúcu oceľ 304 a 316 je nižšia ako 800 stupňov a 850 stupňov . Účinnosť prenosu tepla sa pri prekročení týchto limitov znižuje, pretože sa urýchľuje povrchová oxidácia a vytvárajú sa hrubé vrstvy oxidu. Okrem toho znižuje mechanickú pevnosť, čo spôsobuje creepovú deformáciu, zvyšuje nebezpečenstvo medzikryštalickej korózie, najmä v prostrediach obsahujúcich chloridy, a môže viesť k lokalizovanému topeniu a vytváraniu horúcich miest.
Pri vysokej hustote výkonu interný vykurovací drôt predčasne zlyhá. Dochádza k prekročeniu prevádzkovej teploty drôtu, čo urýchľuje oxidáciu a výrazne znižuje jeho životnosť. Mikrotrhliny sú spôsobené zmenami koeficientov tepelnej rozťažnosti drôtu a výplne z oxidu horečnatého. Vývoj drôteného zrna mení odpor pri vysokých teplotách, čo ovplyvňuje účinnosť ohrevu. V prostrediach obsahujúcich síru- sa môže vyvinúť eutektika s nízkou teplotou topenia-, čo vedie k „tepelnej erózii“.
Nadmerná hustota výkonu spôsobuje karbonizáciu a zanášanie pri zahrievaní kvapalného média. Organické médiá na stene rúrky sa lokalizovaným prehriatím rozkladajú a vytvárajú izolačné vrstvy koksu, ktoré zhoršujú horúce miesta. Miestny var môže byť výsledkom zón mŕtvych tokov v kvapalinách s vysokou viskozitou. Vysoké teploty môžu spôsobiť polymerizáciu minerálnych olejov na gély.
Okrem toho existujú bezpečnostné riziká: príliš horúce povrchy by mohli zapáliť susedné horľaviny, tesnenia by mohli zlyhať v dôsledku rýchlej tepelnej rozťažnosti a ohrievač by sa mohol stať zdrojom vznietenia vo výbušných situáciách. Poruchy elektrického systému môžu byť dôsledkom neočakávaných skokov v napájaní.
Paradoxne klesá efektivita systému. Zdá sa, že vyššia hustota urýchľuje zahrievanie, ale spôsobuje aj väčšie straty tepla konvekciou a sálaním, vyžaduje si väčšie systémy regulácie teploty, aby sa zabránilo prehrievaniu, zvyšuje frekvenciu štart{1}}zastavenia, celkovo skracuje životnosť a zvyšuje prevádzkové náklady s nižšou energetickou účinnosťou.
Pri určovaní vhodných rozsahov hustoty výkonu je potrebné vziať do úvahy materiálové charakteristiky, prevádzkové podmienky, vykurovacie médiá a aplikačné požiadavky.
Kvalita nehrdzavejúcej ocele je jedným z hlavných prispievajúcich faktorov: 304 navrhuje nie viac ako 5 W/cm², 316 umožňuje 6–7 W/cm² z dôvodu zlepšenej odolnosti molybdénu proti korózii a 310S môže dosiahnuť 8–10 W/cm² pri vysokoteplotnej aplikácii. Dôležitý je druh vykurovacieho média: voda s výkonom 10{15}}15 W/cm² (s dostatočným prietokom), olej s výkonom 4-8 W/cm² (upravené na bod vzplanutia), ohrev vzduchu s výkonom 3-5 W/cm² (v závislosti od prietoku vzduchu) a roztavené soli s výkonom 5-10 W/cm² (pokiaľ ide o korozívnosť). Podmienky prostredia: obmedzenia vysokého tlaku berú do úvahy mechanickú pevnosť, vákuum si vyžaduje zníženie o 30–50 % v dôsledku nedostatočného odvodu tepla, atmosférický tlak umožňuje mierne zvýšenie a korózne situácie vyžadujú zníženie o 20–30 %.
Metódy výpočtu začínajú základným vzorcom: hustota výkonu (ψ)=P / (π × D × L), kde P je menovitý výkon (W), D je vonkajší priemer (cm) a L je dĺžka ohrevu (cm). Uplatňujú sa empirické korekcie: povolená hustota=základná hodnota × K₁ × K₂ × K₃, s K₁ ako stredný koeficient (1,0 pre vodu, 0,7 pre olej, 0,5 pre vzduch), K₂ ako koeficient prostredia (1,0 pre atmosférický, 0,6 pre vákuum, 0,8 pre vysoký tlak, K₃ pre vysoký{ a K₂ koeficient, koeficient kontroly) 0,8 pre zapnutie{12}}vypnutie). Overenie tepelnej bilancie zaisťuje ψ menšie alebo rovné (h × (T_s - T_f) + εσ(T_s⁴ - T_f⁴)), kde h je koeficient prestupu tepla konvekciou, povrchová teplota T_s, teplota média T_f, emisivita εtz ε a σ Stefanmannova konštanta{23}}.
Podľa priemyselných noriem, ako je IEC 60335: 50–70 % normálneho stavu vo výbušnom prostredí; nie viac ako 3 W/cm² pre suché vykurovanie; 15 W/cm² vo vode; a 7 W/cm² v oleji.
Pre špecifické použitie umožňuje prechodné zahrievanie, ktoré je obmedzené na 30 % času cyklu a poskytuje ochranu proti prehriatiu, 1,5 až 2-násobok typickej hustoty na krátku dobu. Voda pri 8 W/cm2 alebo menej a olej pri 4 W/cm2 alebo menej vyžadujú miešanie alebo cirkuláciu pri nízkych prietokoch menších ako 0,3 m/s. Použitím viacsegmentových architektúr a algoritmov PID sa vysoko presné riadenie s fluktuáciami menšími ako 1 stupeň zníži na 70 % vypočítanej hodnoty.
Postupné návrhy, ktoré rozdeľujú energiu medzi nezávislé segmenty, aby sa predišlo hotspotom, povrchové úpravy, ako je pieskovanie alebo nátery, ktoré zvyšujú povolenú hustotu o 5 – 10 %, monitorovanie teploty pomocou termočlánkov pre-spätnú väzbu v reálnom čase, vylepšenia dynamiky tekutín pomocou sprievodcov prietoku pre rovnomerný prechod média a N+1 redundancia v niektorých kritických nastaveniach, ktoré znižujú hustotu jednej trubice- o 20 % sú odporúčaniami
Ohrievače kazety z nehrdzavejúcej ocele môžu fungovať bezpečne a efektívne počas dlhého časového obdobia prispôsobením rýchlosti ohrevu životnosti zariadenia prostredníctvom vedeckého stanovenia hustoty výkonu. V skutočnosti nastavte dôkladné monitorovacie systémy a použite pilotné testovanie na kontrolu nastavení.
