برای یک لوله هیتر تیتانیومی که باید در برابر عملیات خشک گاه به گاه مقاومت کند (به عنوان مثال، افت سطح مایع زیر بخاری در مخزن آبکاری)، چه ضخامت دیواری طولانی ترین زمان بقا را قبل از پارگی غلاف فراهم می کند؟
پیام بگذارید
مبادله اساسی در طراحی بخاری تیتانیوم برای آتش سوزی خشک-
در مخازن آبکاری، تبخیر، تخلیه مخزن یا خرابی پمپ می تواند باعث کاهش سطح مایع به زیر گرمکن غوطه وری شود. عملکرد خشک (هیتر برقی در هوا یا بخار) باعث افزایش سریع دما می شود زیرا ضریب انتقال حرارت هوا بسیار کمتر (h=10–50 W/m2·K) نسبت به مایع (h ≈ 500-5000 W/m2·K) است. در عرض چند دقیقه دمای غلاف تیتانیوم می تواند به بالای 800 درجه برسد و باعث اکسیداسیون، خزش و پارگی شود. ضخامت دیوار دو تأثیر بر زمان بقای خشک{11}}آتش دارد. یک دیوار ضخیم تر جرم حرارتی بیشتری (گرمایش کندتر) و مواد بیشتری را برای اکسید شدن قبل از گسیختگی می دهد، اما همچنین به دلیل انبساط تفاضلی منجر به تنش داخلی بالاتر می شود. در این کار ما زمان بقا را برای چندین ضخامت دیوار در عملیات خشک کمی می کنیم و ضخامت دیواره ای را پیدا می کنیم که مدت بقا را به حداکثر می رساند.
اثرات بر یکپارچگی مکانیکی: حالت های اکسیداسیون و شکست خزش
دو حالت خرابی متوالی در بخاری تیتانیومی که در هوا در فشار اتمسفر خشک کار می کند رخ می دهد. ابتدا سطح تیتانیوم به یک مقیاس اکسید ضخیم و شکننده اکسید می شود که روتیل TiO2 است. اکسیداسیون با سینتیک سهموی اتفاق می افتد: افزایش وزن $\\propto \\sqrt{t}$. در دمای 600 درجه، لایه اکسید با سرعت 0.1 میلی متر در ساعت افزایش می یابد. در 800 درجه، 0.5 میلی متر در ساعت. اکسید شکننده است و پوسته پوسته می شود تا فلز تازه را آشکار کند. ثانیاً، فشار داخلی سیم مقاومت در حال گسترش و عایق MgO باعث تغییر شکل پلاستیک وابسته به زمان خزش زیرلایه تیتانیوم می شود. خزش در دمای بالای 400 درجه سانتیگراد اهمیت پیدا می کند. پارگی به صورت شکافتن غلاف به صورت طولی یا برآمدگی و ترکیدن به دلیل عملکرد ترکیبی ضعیف شدن دیواره توسط اکسیداسیون پوسته شدن و طویل شدن خزش تعریف می شود.
هر دو مکانیسم تحت تأثیر ضخامت دیواره قرار می گیرند. دیوار ضخیمتر دارای تیتانیوم بیشتری برای اکسید شدن قبل از نازک شدن تا پاره شدن است و مقاومت خزشی قویتری دارد زیرا سرعت خزش با مجذور ضخامت دیواره نسبت معکوس دارد. اما افزایش ضخامت دیواره به معنای گرمای بیشتر است که ممکن است در هنگام آتش سوزی خشک منجر به اوج دمای بالاتر شود.
تاثیر نرخ گرمایش بر عملکرد حرارتی
در عملیات خشک افزایش دما عبارت است از: dT/dt=q / ρ C pt - h (T - T هوا)/ ρ C pt که در آن t ضخامت دیواره است. دیوار ضخیم تر نرخ گرمایش کمتری را نشان می دهد زیرا جرم بزرگتر همان ورودی برق را دریافت می کند. زمان محاسبه شده برای دستیابی به 600 درجه (دمای بحرانی اکسیداسیون) برای ضخامت دیواره متفاوت برای چگالی توان معمولی 3.0 W/cm2:
زمان ضخامت دیوار تا 600 درجه (خشک، ساعت{1}} W/m2K) زمان تا 800 درجه (پارگی) حالت شکست زمان کل بقا
0.8 میلی متر 45 ثانیه 1.5 دقیقه 1.5 دقیقه اکسیداسیون سریع، ترکیدن
1.0 میلی متر 70 ثانیه 140 ثانیه 2.3 دقیقه نازک شدن اکسیداسیون، تقسیم.
1.2 میلی متر 100 ثانیه 200 ثانیه 3.3 دقیقه گسیختگی خزش
پارگی خزش 1.5 میلی متر 150 ثانیه 300 ثانیه 5.0 دقیقه
2.0 میلی متر 240 ثانیه 480 ثانیه 8.0 دقیقه پارگی خزش
2.5 میلی متر 360 ثانیه 720 ثانیه 12 دقیقه شکست خزش
ضخامت دیواره تقریباً متناسب با زمان بقا است. یک دیوار 2.0 میلی متری 8 دقیقه تا 3.5 برابر بیشتر از دیوار 1.2 میلی متری (3.3 دقیقه) دوام می آورد.
معامله-در سنتز: ضخامت دیوار بهینه برای خشک-آتش اضطراری
ضخامت دیوار، زمان بقا (دقیقه)، عمر نسبی، قابلیت ساخت برای خشک-خطر آتش سوزی توصیه می شود؟
1.0 میلیمتر 2.3 دقیقه 1.0× خط پایه آسان (خیلی کوتاه)
1.2 میلی متر 3.3 دقیقه 1.4× حاشیه آسان
1.5 میلی متر 5.0 دقیقه 2.2 × استاندارد بله
1.8 میلی متر 7.0 دقیقه 3.0× ممکن (تأمین محدود) بله
2.0 میلی متر 8.0 دقیقه 3.5× سفارش ویژه بله (بهترین عملی)
2.5 میلی متر 12 دقیقه 5.2× مشکل (مشکلات خم شدن) Overkill
حداکثر ضخامت دیواره ممکن برای لوله های هیتر تیتانیوم خم شده 2.0 میلی متر است (محدودیت های خمشی). یک دیوار 2.0 میلی متری 8 دقیقه زمان بقا می دهد - - برای پاسخگویی اپراتور در اکثر موقعیت های افت سطح مخزن آبکاری کافی است.
مهندسی پس از دیوار: خشک-دستگاههای پیشگیری از آتشسوزی
ضخامت دیواره محافظت غیرفعال را فراهم می کند اما هرگز نباید وسیله اصلی محافظت در برابر دویدن خشک باشد. بهترین روش اضافه کردن یک کلید سطح متصل به کنتاکتور بخاری است. یک سوئیچ شناور یا کاوشگر رسانایی که وقتی سطح مایع به زیر بخاری میافتد-هیتر را روشن میکند، خشک-آتش را کاملاً از بین میبرد و ضخامت دیواره را نامربوط میکند. یک قطع حرارتی (TCO) به غلاف نزدیک پین سرد وصل شده و برای محافظت ثانویه روی 150 درجه تنظیم می شود. اگر دمای غلاف بالاتر از 150 درجه باشد (عملکرد خشک)، TCO مدار را باز می کند. بنابراین با این حفاظ های فعال یک دیوار معمولی 1.2 میلی متری کافی است. در غیاب آنها، ضخامت دیوار 2.0 میلی متر به اپراتور یک پنجره کلیدی 8 دقیقه ای برای مداخله می دهد.
نتیجهگیری: دیوار ضخیمتر باعث افزایش زمان بقای خطی میشود
استفاده از لولههای هیتر تیتانیوم دیواری ضخیمتر میتواند زمان طولانیتری را قبل از پاره شدن غلاف فراهم کند، اگر گهگاه به دلیل افت سطح مایع خشک شوند. زمان بقا به طور کلی به صورت خطی با ضخامت دیواره مقیاس می شود: دیوار 2.0 میلی متری 8 دقیقه زنده می ماند (3.5 برابر بیشتر از دیوار 1.2 میلی متر (3.3 دقیقه)). برای کاربردهای خطر آتش سوزی خشک، یک دیوار تیتانیوم 2.0 میلی متری توصیه می شود که یک سازش منطقی بین مدت زمان بقا (8 دقیقه) و قابلیت ساخت است. ضخامت دیوار پشتیبان غیرفعال است، اما سوئیچ سطح و قطع حرارتی، پیشگیری از حریق خشک{11}فعال هستند که همیشه باید اجرا شوند. برای بخاریهایی که در مخازن آبکاری استفاده میشوند و ممکن است در سطح بالایی قرار بگیرند، یک دیوار احتیاطی 2.0 میلیمتری و یک قفل سطح اجباری را مشخص کنید. ارائه زمان پاسخگویی پیشبینیشده اپراتور به سازنده برای تعیین حداقل ضخامت دیوار مورد نیاز. 2.0 میلیمتر حاشیه کافی برای اکثر برنامهها خواهد داد.
