يعتمد سخان خرطوشة الفولاذ المقاوم للصدأ، وهو أحد مكونات التحويل الكهروحرارية الشائعة، على الإجراءات التكميلية للمواد العازلة وعناصر التسخين المقاومة للمعادن لتحقيق غرضه الأساسي. يؤدي الحرق الجاف، أو التسخين دون استخدام وسيط نقل الحرارة، إلى خضوع المكون لعدد من التغيرات الكيميائية والفيزيائية المعقدة التي تؤدي إلى تدهور الأداء بشكل لا رجعة فيه. جوهر هذا الضرر هو عملية تدهور لا رجعة فيه للمواد تحت اقتران مجالات متعددة، والتي تنطوي في المقام الأول على خمس آليات ضرر مترابطة على المستويات الجزئية والمتوسطة والكلي. حتى بعد أن يبرد المدفأة إلى درجة حرارة الغرفة، لا يمكن التراجع عن أي من هذه التغييرات.
تعد أكسدة حدود الحبوب مع هجرة العناصر وإعادة بلورة أسلاك سبائك المقاومة أمثلة على الضرر الأولي والأكثر أساسية الناجم عن تدهور البنية المجهرية للموصلات المعدنية. عند حدود الحبوب، يتفاعل الكروم الموجود في غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل تفضيلي مع الأكسجين في بيئة ذات درجة حرارة عالية- عند 500 درجة لتكوين طبقة أكسيد Cr2O3. يمكن أن ترتفع درجة الحرارة المحلية للسخان إلى 800-1000 درجة أثناء الحريق الجاف، مما يتسبب في انتشار الكروم بشكل مستمر إلى الخارج ويقلل محتوى الكروم في المصفوفة إلى أقل من 12%. ونتيجة لذلك، يفقد الفولاذ المقاوم للصدأ قدرته الطبيعية على مقاومة التآكل والحفاظ على السلامة الهيكلية. وفي الوقت نفسه، يؤدي ترسيب الكربيدات مثل M₂₃C₄ إلى تكثيف هشاشة حدود الحبوب، مما يجعل الغلاف المعدني أكثر هشاشة وعرضة للتشقق. تتسبب درجات الحرارة المرتفعة الممتدة في إعادة التبلور الديناميكي في سلك تسخين النيكل-الكروم/الحديد-الكروم والألومنيوم الذي ينتج الحرارة من خلال المقاومة، مما يتسبب في تمدد الحبيبات بشكل غير طبيعي إلى ثلاثة إلى خمسة أضعاف حجمها الأصلي. وفقًا للبيانات التجريبية، يزداد حجم حبيبات سبيكة Ni80Cr20 من 20μm إلى 90μm بعد 72 ساعة من الحرق الجاف. يؤدي هذا إلى انخفاض بنسبة 60% في قوة الشد وتقلب المقاومة بأكثر من ±15%، مما يقلل بشكل مباشر من كفاءة تسخين سلك التسخين وعمر الخدمة.
يعد فشل انتقال الطور للمادة العازلة الأولية للسخان، مسحوق أكسيد المغنيسيوم، هو الضرر الرئيسي الثاني. مع معدل انكماش حجمي يصل إلى 18%، يبدأ مسحوق أكسيد المغنيسيوم (MgO) في التلبيد والتكثيف عند 800 درجة، مما يؤدي إلى تدمير البنية الأصلية السائبة والمسامية للطبقة العازلة وتقليل قدرتها على العزل ضد الحرارة والكهرباء. يخضع MgO لتفاعل تحلل لا رجعة فيه عندما ترتفع درجة الحرارة فوق 1000 درجة : MgO → Mg + 1/2O₂. يتسبب المغنيسيوم الغازي المنتج في الفضاء الداخلي المغلق في زيادة مفاجئة في ضغط الهواء الداخلي، والذي يمكن أن يؤدي بسهولة إلى حدوث شقوق صغيرة في الطبقة العازلة وحتى انتفاخ الغلاف المعدني. وتؤكد نتائج فحص XRD أن الحرق الجاف - MgO سيؤدي إلى أطوار متغايرة Mg(OH)₂، وستنخفض قوته العازلة بشكل كبير بمقدار 40-60 كيلو فولت/مم، مما يقلل بشكل كبير من أداء العزل. علاوة على ذلك، يمر أكسيد المغنيسيوم بمرحلة انتقالية من نظام بلوري مكعب إلى نظام بلوري سداسي عند درجات حرارة عالية، وتنخفض موصليته الحرارية من 48 واط/م·ك إلى 22 واط/م·ك. أثناء عملية التبريد، لا يمكن عكس هذا التحول في الشكل البلوري، مما يقلل بشكل دائم من قدرة الطبقة العازلة على تبديد الحرارة ويزيد من احتمالية ارتفاع درجة الحرارة المحلية في الاستخدام اللاحق.
أما عملية الضرر الهامة الثالثة فهي فشل الاتصال بالواجهة، والذي يحدث نتيجة لتطور طبقة التفاعل السطحي وإجهاد عدم تطابق التمدد الحراري. يبلغ معامل التمدد الحراري لأكسيد الماغنسيوم (CTE) 13×10⁻¹/ درجة فقط، بينما يبلغ غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ حوالي 18×10⁻¹/ درجة. يؤدي الفارق الكبير في درجة الحرارة أثناء الحريق الجاف إلى اختلاف الانفعالات الحرارية للمادتين بأكثر من 5%. وفقًا لمحاكاة العناصر المحدودة، يتسبب هذا التمدد الحراري غير المتساوي في إجهاد حراري هائل في واجهة العازل المعدني-، مما يؤدي إلى إنشاء شبكة من الشقوق الصغيرة التي يتراوح حجمها بين 10 و15 ميكرومتر. يؤدي هذا إلى زيادة المقاومة الحرارية للتلامس بنسبة 300-500% ويمنع انتقال الحرارة الطبيعي من سلك التسخين إلى الغلاف المعدني. تتحد سبيكة Fe-Cr الموجودة في الغلاف مع MgO لتوليد مرحلة الإسبنيل (Fe,Mg)Cr₂O₄ عند درجات حرارة أعلى من 800 درجة، وفقًا لأبحاث طيف الطاقة. كل 100 ساعة، يزداد سمك طبقة التفاعل هذه بحوالي 3 ميكرومتر. وهذا يزيد من مقاومة السطح البيني ويقلل من قوة الترابط بين الطبقة العازلة والغلاف، مما يخلق خطرًا مخفيًا لفشل السخان بشكل عام.
التغيير الدائم في الخصائص الكهربائية، والذي يظهر على شكل انهيار جليدي-مثل انخفاض مقاومة العزل والارتفاع المفاجئ في تيار التسرب بسبب تأثير النفق، هو الضرر الرابع. يزداد تركيز الناقل المتأصل في MgO بشكل كبير عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث يصل إلى 10²¹/م³ عند 900 درجة. تظل شواغر الأكسجين (Vö) والمغنيسيوم (VMg") الناتجة عن التحلل في درجة الحرارة العالية- في الشبكة البلورية MgO وتشكل أزواجًا متقبلة مانحة-، على الرغم من انخفاض تركيز الناقل أثناء التبريد. يؤدي هذا إلى انخفاض مقاومة عزل درجة حرارة غرفة المدفأة بشكل ملحوظ من 1000MΩ الأصلية إلى أقل من 50MΩ، وهو غير كافٍ لتلبية لوائح السلامة الكهربائية. في هذه الأثناء، يتم إنشاء قنوات موصلة بواسطة الشقوق الصغيرة التي تتطور داخل الطبقة العازلة وفي الواجهة. يرتفع تيار تسرب المدفأة بمقدار أمرين إلى ثلاثة أوامر أثناء تأثير النفق الكمي. وفقًا للقياسات الفعلية، يمكن أن يحتوي المكون الجاف - الذي يعمل بجهد 220 فولت على تيار تسرب يبلغ 5-10 مللي أمبير، وهو أعلى بكثير من الحد الآمن ويمثل خطرًا كبيرًا للتسرب الكهربائي وقصر الدائرة.
إن الضرر الديناميكي الحراري الذي لا يمكن إصلاحه، والذي يتم التحكم فيه بواسطة قواعد الديناميكا الحرارية ولا يمكن التراجع عنه عن طريق التبريد المباشر، هو المصدر الخامس والأساسي لعدم رجعة جميع الأضرار المذكورة أعلاه. في الأساس، يعد الإطلاق الجاف بمثابة النظام الداخلي المغلق لعملية زيادة الإنتروبيا التلقائية لسخان الخرطوشة. وفقًا للحسابات، بعد 24 ساعة من النار الجافة، تزداد إنتروبيا نظام السخان النموذجي بمقدار 1200جول/(كجم·ك)، وهو ما يزيد بشكل ملحوظ عن قدرة المواد الخزفية والمعدنية على الإصلاح الذاتي-. علاوة على ذلك، يتم تحديد عدم رجعية التفاعلات الكيميائية الرئيسية أثناء الحريق الجاف من خلال تغير الطاقة الحرة لجيبس (ΔG): عند 1000 درجة، يكون ΔG لتفاعل انهيار MgO -56 كيلوجول/مول، في حين أن ΔG لأكسدة الفولاذ المقاوم للصدأ هو -420 كيلوجول/مول. ونظرًا للحواجز الحركية مثل درجة الحرارة المنخفضة ومعدل التفاعل البطيء، فإن كلا التفاعلين - وهما تفاعلان عفويان لا يمكن للتفاعلات الطاردة للحرارة عند درجات الحرارة المرتفعة أن تستمر في الاتجاه المعاكس أثناء التبريد. ونتيجة لذلك، فإن منتجات التفاعل، مثل الأكاسيد والكربيدات، ستبقى في المادة إلى أجل غير مسمى، ولا يمكن استعادة البنية المجهرية التالفة وتكوين الطور.
باختصار، الضرر الناجم عن الحريق الجاف لسخانات خرطوشة الفولاذ المقاوم للصدأ هو تدهور تآزري متكامل متعدد النطاقات ناتج عن ارتفاع درجة الحرارة والذي يتضمن فشل الواجهة، والانتشار الذري، وتفاعل انتقال الطور، وتدهور الخاصية الكهربائية، وزيادة الإنتروبيا الديناميكية الحرارية. إن التغير المفاجئ في حالة المادة والذي يقتصر على قوانين الديناميكا الحرارية هو سبب عدم إمكانية عكس هذا الضرر: لا يمكن للتبريد أن يوقف التفاعلات الكيميائية التلقائية والتغيرات البنيوية الدقيقة التي تحدث عند درجات حرارة عالية، ولا يمكن للنظام أبدًا العودة إلى حالة الإنتروبيا المنخفضة - الأولية، وحالة الأداء العالية-. لذلك، بدلاً من محاولة إصلاح ما بعد-الفشل، فإن مفتاح منع تلف الحرق الجاف هو تعزيز إدارة درجة حرارة معدات التسخين ونظام الحماية ضد الحرق الجاف لمنع حدوث حالات الحرق الجاف في المقام الأول. قد يكون استخدام المواد العازلة المركبة المتدرجة أو طبقات السبائك ذاتية الإصلاح - لتحسين مقاومة درجات الحرارة العالية طرقًا مستقبلية لتحسين سخان الخرطوشة، ولكن الحل الأساسي لا يزال يكمن في التخلص من ظروف تشغيل الحرق الجاف.
