যখন জলীয় পরিষেবায় একটি 316 স্টেইনলেস স্টীল চাদরযুক্ত হিটারের শক্তি ঘনত্ব স্থানীয়কৃত ফুটন্ত-প্ররোচিত স্কেল এবং ক্ষয়-এর জন্য গুরুতর সীমা অতিক্রম করে

ভেজা গরম এবং ফিল্ম ফুটন্ত ক্ষতির মধ্যে পার্থক্য করার জন্য একটি পৃষ্ঠ তাপ প্রবাহের মানদণ্ড

সম্পূর্ণরূপে জলীয় দ্রবণে নিমজ্জিত 316টি স্টেইনলেস স্টিলের বৈদ্যুতিক হিটিং টিউবের ক্ষেত্রে, প্রয়োগ করা শক্তির ঘনত্ব (ওয়াট প্রতি বর্গ সেন্টিমিটার [W/cm2] আবরণ পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল) শুধুমাত্র তাপ সঞ্চালনের হার নয়, ধাতব পৃষ্ঠের কাছাকাছি থাকা তরলের শারীরিক অবস্থাও নিয়ন্ত্রণ করে। হিটারটি নিউক্লিয়েট ফুটন্ত পদ্ধতিতে কাজ করে যেখানে বাষ্পের বুদবুদগুলি তৈরি হয়, বিচ্ছিন্ন হয় এবং একটি ক্রিটিক্যাল মানের নীচে শক্তি ঘনত্বে একটি অবিচ্ছিন্ন বাষ্পের কম্বল তৈরি না করেই ভেঙে পড়ে। একটি বৃহত্তর থ্রেশহোল্ডে, খাপটি একটি ফিল্ম ফুটন্ত শাসনে প্রবেশ করে, যেখানে একটি স্থিতিশীল বাষ্প ফিল্ম দ্বারা ধাতু থেকে তরলটি উত্তাপিত হয়, যার ফলে খাপের তাপমাত্রা দ্রুত বৃদ্ধি পায়। এই দুটি শাসনের মধ্যে একটি ট্রানজিশনাল পাওয়ার ডেনসিটি পরিসীমা রয়েছে যেখানে স্থানীয়ভাবে বিরতিহীন ফিল্ম ফুটন্তের ফলে গুরুতর তাপ সাইক্লিং, দ্রুত স্কেল জমা এবং উচ্চতর ক্ষয় হার হয়। কাগজটি জল এবং জলীয় দ্রবণে 316 স্টেইনলেস স্টীল শীথগুলির জন্য সমালোচনামূলক শক্তি ঘনত্বের সীমাবদ্ধতা গণনা করে এবং এই সীমা অতিক্রম করার কারণে লুকানো ক্ষতির প্রক্রিয়াগুলি প্রশমিত করার জন্য একটি নকশা কাঠামো সরবরাহ করে।

নিমজ্জিত চাদরের জন্য তাপ স্থানান্তর ব্যবস্থা এবং তাদের শারীরিক সীমা

ক্রমবর্ধমান শক্তি ঘনত্ব সহ বায়ুমণ্ডলীয় চাপে একটি 316 স্টেইনলেস স্টীল খাপ দ্বারা উত্তপ্ত জলের জন্য তিনটি ফুটন্ত ব্যবস্থা দেখা যায়। প্রাকৃতিক পরিচলন ব্যবস্থায় (প্রায়শই পরিষ্কার পানির জন্য 1-2 W/cm 2 এর নিচে), কোনো বুদবুদ তৈরি হয় না এবং তাপ শুধুমাত্র তরল সীমানা স্তরে পরিবাহী ও প্রাকৃতিক পরিচলনের মাধ্যমে স্থানান্তরিত হয়। নিউক্লিয়েট ফুটন্ত পদ্ধতিতে (পৃষ্ঠের ফিনিস এবং সাবকুলিংয়ের উপর নির্ভর করে প্রায় 2-15 W/cm 2) বিচ্ছিন্ন বাষ্প বুদবুদগুলি নিউক্লিয়েশন সাইটগুলিতে বিকশিত হয়, বিস্তারের মাধ্যমে প্রসারিত হয়, শীতল বাল্ক তরলে বিচ্ছিন্ন হয় এবং ভেঙে যায়। এই শাসন ব্যবস্থায় সবচেয়ে বড় তাপ সঞ্চালন সহগ (5000-20000 W/m2.K) রয়েছে যার খাপের তাপমাত্রা বাল্ক তরল স্ফুটনাঙ্কের তাপমাত্রার মাত্র 5-20 ডিগ্রি বেশি। ক্রিটিক্যাল হিট ফ্লাক্স (CHF) এ, 100 ডিগ্রী বাল্ক তাপমাত্রায় জলে একটি পরিষ্কার 316 খাপের জন্য সাধারণত 12-18 W/cm2, বুদবুদ উত্পাদন এতটাই জোরালো হয় যে প্রতিবেশী বুদবুদগুলি একত্রিত হয়ে একটি অবিচ্ছিন্ন বাষ্প ফিল্ম তৈরি করে। এই ফিল্ম ফুটন্ত শাসন, একই প্রয়োগ করা শক্তির জন্য, জলের তুলনায় বাষ্পের 20-30 গুণ দুর্বল তাপ পরিবাহিতার কারণে আবরণের তাপমাত্রা প্রায় 120-130 ডিগ্রি থেকে 400-600 ডিগ্রি পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়। উচ্চ আবরণ তাপমাত্রা 316 পৃষ্ঠের অক্সিডেশন বাড়ায়, দ্রবীভূত লবণকে আনুগত্যকারী স্কেল হিসাবে প্রসারিত করে এবং চরম পরিস্থিতিতে অভ্যন্তরীণ চাপের বিল্ডিং থেকে টিউব ফুলে যাওয়া বা ভাঙার কারণ হয়। ইন্ডাস্ট্রিয়াল হিটার ডিজাইনের জন্য, CHF এর 80% এর নিচে অপারেশন একটি নিরাপদ অপারেটিং মার্জিন প্রদান করে যাতে সাধারণ তরল পরিস্থিতিতে ফিল্ম ফুটন্ত না হয়।

জটিল শক্তি ঘনত্ব থ্রেশহোল্ডে দ্রবীভূত কঠিন পদার্থের প্রভাব

দ্রবীভূত লবণ 316টি খাপের জন্য CHF উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে, বিশেষ করে ক্যালসিয়াম বাইকার্বনেট, সোডিয়াম ক্লোরাইড এবং ম্যাগনেসিয়াম সালফেট। এই দ্রবণগুলির প্রতিটি তরলের সান্দ্রতা এবং পৃষ্ঠের টান বাড়ায় এবং সম্ভাব্য নিউক্লিয়েশন সাইটের ঘনত্ব হ্রাস করে। সিন্থেটিক কুলিং ওয়াটারে পদ্ধতিগত পরীক্ষা (CaCO₃ হিসাবে 300 পিপিএম কঠোরতা) দেখায় যে 80 ডিগ্রি বাল্ক তাপমাত্রায় পাতিত জলে CHF প্রায় 15 W/cm² থেকে 10‑11 W/cm² এ কমে যায়। এই হ্রাসটি এই কারণে যে খাপ পৃষ্ঠের স্কেল, এমনকি 50 µm এর কম পুরুত্বের একটি খুব পাতলা নিরাকার স্তর, ধাতু এবং তরলের মধ্যে তাপীয় প্রতিরোধ বাড়ায় এবং সেই কারণে একই প্রয়োগ করা শক্তিতে ধাতব পৃষ্ঠের তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। তাপমাত্রা বৃদ্ধি স্কেল ডিপোজিশনকে আরও বাড়িয়ে দেয় যা একটি ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া লুপের জন্ম দেয় যাকে বলা হয় ফাউলিং ইনডিউসড ফিল্ম বয়লিং। শক্ত জলে 12 W/cm 2 তে চলমান একটি 316 খাপের জন্য, খাপের তাপমাত্রা 110 ডিগ্রী (নিউক্লিয়েট ফুটন্ত) হতে পারে কিন্তু 100 ঘন্টা কাজ করার পরে, একটি 0.1 মিমি স্কেল স্তর ধাতব তাপমাত্রাকে 200 ডিগ্রির উপরে বাড়িয়ে দেয়, সম্ভবত ফিল্ম ফুটন্ত ঘটাতে পারে যদিও শক্তির ঘনত্ব পরিবর্তন হয়নি। একবার ফিল্ম ফুটন্ত হয়ে গেলে, স্কেল স্তরটি নিজেই একটি শক্ত, কাঁচের মতো আমানত-তে সিন্টার করতে পারে যা যান্ত্রিকভাবে অপসারণ করতে হবে। ব্যবহারিক অর্থ হল যে অপরিশোধিত জলে একটি 316 খাপের জন্য নিরাপদ সর্বাধিক শক্তি ঘনত্ব হল মাত্র 5-6 W/cm2-পাতিত জলের CHF-এর অর্ধেকেরও কম - যখন পরিষ্কার ছাড়াই দীর্ঘমেয়াদী অপারেশন প্রয়োজন।

নিউক্লিয়েট ফুটন্ত থ্রেশহোল্ড পাওয়ার ঘনত্বের বাইরে জারা ত্বরণ

ফিল্ম ফুটন্ত এবং অতিরিক্ত উত্তাপের সরাসরি হুমকি ছাড়াও, শীর্ষ নিউক্লিয়েট ফুটন্ত অঞ্চলে একটি 316 খাপের ব্যবহার (পরিষ্কার জলে প্রায় 8 W/cm2 এর উপরে, শক্ত জলে 4-5 W/cm2) দুটি প্রক্রিয়ার মাধ্যমে স্থানীয় ক্ষয়কে ত্বরান্বিত করে। প্রথমটি হল ঘনত্বের মেরুকরণ যেখানে বাষ্পের বুদবুদের গঠন এবং বিচ্ছিন্নতা ধাতব পৃষ্ঠে অবশিষ্ট তরলে অ-{18}অস্থির দ্রবণগুলির ঘনত্বকে বাড়িয়ে তোলে। উদাহরণস্বরূপ, ফুটন্ত ইন্টারফেসে ক্লোরাইড আয়নগুলিকে 10-100 বার ঘনীভূত করা যেতে পারে, যার ফলে একটি স্থানীয় পরিবেশ তৈরি হয় যা অন্যথায় পিটিং সৃষ্টি করতে 10,000-50,000 পিপিএমের বাল্ক ক্লোরাইড ঘনত্বের প্রয়োজন হবে। দ্বিতীয় প্রক্রিয়াটি হল তাপীয় গ্রেডিয়েন্ট চালিত গ্যালভানিক জারা। ক্রমবর্ধমান বুদ্বুদের নীচে ধাতব পৃষ্ঠ (যেখানে তরল যোগাযোগ বজায় রাখা হয়) বুদবুদ ছাড়ার ঠিক পরে এলাকার তুলনায় কিছুটা বেশি তাপমাত্রায় থাকে যা 2-5 ডিগ্রি তাপমাত্রার পার্থক্য তৈরি করে যার ফলে একটি পরিমাপযোগ্য ক্ষয় সম্ভাব্য পার্থক্য হয়। সময়ের সাথে সাথে এই পার্থক্যের ফলে বুদবুদের নিউক্লিয়েশনের জায়গায় স্থানীয় আক্রমণ হয়, ছোট বৃত্তাকার পিট (সাধারণত 0.5-2.0 মিমি ব্যাস) হিসাবে প্রদর্শিত হয়, যা প্রস্থানকারী বুদবুদের ব্যাসের সমান। দীর্ঘমেয়াদী নিমজ্জন পরীক্ষার ফলাফল 100 ডিগ্রীতে 500 পিপিএম ক্লোরাইড জলে 10 W/cm2 তে চালিত একটি 316 খাপের পিট ঘনত্ব 3 W/cm2 তে পরিচালিত একই খাপের তুলনায় 5-8 গুণ বেশি অন্যথায় সমতুল্য তরল পরিস্থিতিতে সমর্থন করে। নীচের সারণীটি জলের গুণমান এবং অপারেশনের মোডের উপর নির্ভরশীল 316টি খাপের জন্য শক্তি ঘনত্বের সীমাবদ্ধতা দেখায়।

জলের গুণমান / অবস্থা নিউক্লিয়েট ফুটন্তের জন্য সর্বোচ্চ ক্রমাগত শক্তি ঘনত্ব (W/cm2) সর্বোচ্চ শক্তি ঘনত্ব বিরতিমূলক শুল্ক (<10 min on/off) (W/cm2) Primary Failure Mode Above Limit Recommended Application
পরিষ্কার 12-14 16-18 ফিল্ম ফুটানো → বাষ্প কম্বল করা → বার্নআউট উচ্চ-বিশুদ্ধতা ধুয়ে ফেলা ট্যাঙ্ক, পরীক্ষাগার হিটার পাতিত বা ডিয়োনাইজড জল
কম ক্লোরাইড, নরম জল (<100 ppm hardness) 8‑10 12‑14 Chloride concentration polarisation → pitting Closed loop heating systems, treated boiler feed
মিউনিসিপ্যাল ​​ট্যাপের জল (100-300 পিপিএম কঠোরতা) 5-7 9-11 স্কেল, sintered জমা ফিল্ম ফুটন্ত সাধারণ শিল্প ট্যাংক গরম করা, মাঝে মাঝে পরিষ্কার করা
হার্ড ওয়াটার (300-500 পিপিএম হার্ডনেস) 3-5 6-8 দ্রুত স্কেল গঠন, অতিরিক্ত গরম, পিটিং সীমিত ব্যবহার; জল নরম করার প্রস্তাব
সামুদ্রিক জল বা লোনা জল (15,000-35,000 ppm TDS) 2‑3 4‑5 গুরুতর পিটিং + ক্লোরিন SCC 316 অনুপযুক্ত; টাইটানিয়াম বা ইনকোনেল
কম পরিবাহিতা সহ উচ্চ বিশুদ্ধতা জল 6‑8 10‑12 কম ফুটন্ত পয়েন্টে স্থানীয়কৃত ওভারহিট বিপরীত অসমোসিস সিস্টেমের জন্য প্রিহিটার
স্থগিত কণা বা জৈবযুক্ত জল 2‑4 5‑7 সম্মিলিত ক্ষয়-জারা এবং ফাউলিং পরিস্রাবণ বা অন্যান্য গরম করার পদ্ধতি প্রয়োজন
বিদ্যমান এবং নির্দিষ্ট হিটারের জন্য অপারেটিং শক্তি ঘনত্বের ব্যবহারিক সংকল্প

ডিজাইন ইঞ্জিনিয়ারদের জন্য একটি নতুন 316 শীথযুক্ত হিটার নির্বাচন করার জন্য, পাওয়ার ঘনত্ব গণনা করা হয় মোট ওয়াট হিসাবে ভেজা খাপ পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল দ্বারা বিভক্ত (নিমজ্জিত অংশগুলি সহ)। উদাহরণস্বরূপ একটি 3000 ওয়াট হিটারের 300 মিমি নিমজ্জিত দৈর্ঘ্য এবং 12 মিমি বাইরের ব্যাসের একটি পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল প্রায় 113 সেমি 2, যা 26.5 ওয়াট/সেমি2 - শক্তির ঘনত্ব জলজ ব্যবহারের জন্য যে কোনও নিরাপদ সীমার অনেক বেশি দেয়। যেমন একটি হিটার ফিল্ম ফুটন্ত থেকে ঘন্টার মধ্যে ব্যর্থ হবে. স্বাভাবিক পানির গুণমানের জন্য নিরাপদ শক্তির ঘনত্ব 3-8 W/cm² এর মধ্যে, যার জন্য তাপ প্রবাহ বিতরণের জন্য লম্বা খাপের দৈর্ঘ্য বা একাধিক U{15}}টিউবের ব্যবস্থা প্রয়োজন। ইতিমধ্যেই পরিষেবাতে থাকা হিটারগুলির জন্য, ফিল্ম ফুটন্ত প্রায়ই শ্রবণযোগ্য সংকেতগুলির সাথে থাকে যেমন হিসিং বা স্পুটারিং শব্দ। এটি নিউক্লিয়েট ফুটন্তের নিম্ন-পিচের গর্জন থেকে স্পষ্টতই আলাদা। পৃষ্ঠের বিবর্ণতা, বিশেষ করে নীল, বেগুনি বা কালো অক্সাইড ফিল্ম, আবরণের 250-300 ডিগ্রী অতিক্রম করার প্রমাণ, যা ইঙ্গিত করে যে ফিল্ম ফুটন্ত হয়েছে। সবচেয়ে নির্ভরযোগ্য ডায়গনিস্টিক হল খাপ পৃষ্ঠের তাপমাত্রার একটি থার্মোকল পরিমাপ (প্রোবের নিজস্ব তাপ সিঙ্ক প্রভাবের জন্য ক্ষতিপূরণ সহ একটি যোগাযোগ প্রোব ব্যবহার করে)। বায়ুমণ্ডলীয় চাপে ফুটন্ত জলে, 130 ডিগ্রির উপরে পৃষ্ঠের তাপমাত্রা ফিল্ম ফুটন্ত বা গুরুতর স্কেলিং এর একটি স্পষ্ট ইঙ্গিত।

উপসংহার: দীর্ঘ আবরণ জীবনের জন্য প্রধান নিয়ন্ত্রণ হিসাবে শক্তি ঘনত্ব হ্রাস করা

জলীয় অপারেশনে একটি 316 স্টেইনলেস স্টিলের এনকেসড হিটারের শক্তি ঘনত্ব শুধুমাত্র একটি কর্মক্ষমতা পরিমাপ নয়, প্রভাবশালী পরিবর্তনশীল যা নির্ধারণ করে যে হিটারটি নিউক্লিয়েট ফুটন্তে নিরাপদে কাজ করে নাকি ফিল্ম ফুটন্ত এবং ত্বরিত ক্ষয় দ্বারা নিজেকে ধ্বংস করে। পরিষ্কার পাতিত জলের জন্য, সর্বাধিক গ্রহণযোগ্য অবিচ্ছিন্ন শক্তি ঘনত্ব প্রায় 12 W/cm 2। যাইহোক, এই সীমা ক্রমবর্ধমান কঠোরতা, ক্লোরাইডের পরিমাণ এবং মোট দ্রবীভূত কঠিন পদার্থের সাথে দ্রুত হ্রাস পায়। সাধারণ শিল্প কলের জলের জন্য, 5-7 W/cm$^2$ পর্যন্ত উল্লেখযোগ্য স্কেলিং বা পিটিং ছাড়াই নির্ভরযোগ্য দীর্ঘমেয়াদী অপারেশনের অনুমতি দেয়। ইঞ্জিনিয়ারদের উচিত খাপের মাত্রা এবং ওয়াট থেকে বিদ্যুতের ঘনত্ব স্পষ্টভাবে গণনা করা এবং প্রকৃত জলের গুণমান ডেটার উপর ভিত্তি করে উপরের টেবিলের সীমাবদ্ধতার সাথে ফলাফলের তুলনা করা উচিত। কম বিদ্যুতের ঘনত্ব নির্দিষ্ট করার জন্য ওয়াটেজ কমানো বা উত্তপ্ত দৈর্ঘ্য বাড়ানো প্রায় সাধারণত ফিল্ম ফুটানোর কারণে ব্যর্থতার পরে হিট এক্সচেঞ্জার বা সম্পূর্ণ ট্যাঙ্ক প্রতিস্থাপনের চেয়ে বেশি সাশ্রয়ী। এখানে বর্ণিত দৃষ্টান্ত, নিউক্লিয়েট ফুটন্তের শারীরিক সীমার সাথে শক্তির ঘনত্ব সম্পর্কিত, ক্রেতাকে 316টি এনকেসড হিটার ডিজাইন করার একটি উপায় দেয় যা জলজ অবস্থায় দক্ষ তাপ সংক্রমণ এবং অনুমানযোগ্য পরিষেবা জীবন উভয়ই প্রদান করে।