Titāna sildītāja caurulei, kurai ir jāiztur neregulāra darbība ar sausu darbību (piemēram, šķidruma līmeņa pazemināšanās zem sildītāja pārklājuma tvertnē), kāds sienas biezums nodrošina ilgāko izdzīvošanas laiku pirms apvalka plīsuma?
Atstāj ziņu
Būtisks kompromiss titāna sildītāja konstrukcijā, lai novērstu sausu{0}}ugunsgrēku
Apšuvuma tvertnēs iztvaikošana, tvertnes iztukšošana vai sūkņa kļūme var izraisīt šķidruma līmeņa pazemināšanos zem iegremdētā sildītāja. Sausā darbība (ar elektrisko sildītāju gaisā vai tvaikos) rada ātru temperatūras paaugstināšanos, jo gaisa siltuma pārneses koeficients ir daudz zemāks (h=10–50 W/m2·K) nekā šķidrumam (h ≈ 500–5000 W/m2·K). Dažu minūšu laikā titāna apvalka temperatūra var paaugstināties virs 800 grādiem, izraisot oksidēšanos, šļūdei un plīsumus. Sienas biezumam ir divējāda ietekme uz{11}}uguns izdzīvošanas laiku. Biezāka siena nodrošina lielāku termisko masu (lēnāku sildīšanu) un vairāk materiāla, kas oksidējas pirms pārrāvuma, bet arī rada lielāku iekšējo spriegumu diferenciālās izplešanās dēļ. Šajā darbā mēs kvantitatīvi nosakām izdzīvošanas laiku vairākiem sienu biezumiem sausā režīmā un atrodam sienas biezumu, kas maksimāli palielina izdzīvošanas ilgumu.
Ietekme uz mehānisko integritāti: oksidēšanās un šļūdes atteices režīmi
Titāna sildītājā, kas darbojas sausā gaisā atmosfēras spiedienā, secīgi rodas divi atteices režīmi. Pirmkārt, titāna virsma oksidējas līdz biezai un trauslai oksīda skalai, kas ir rutila TiO2. Oksidācija notiek ar parabolisko kinētiku: svara pieaugums $\\propto \\sqrt{t}$. Pie 600 grādiem oksīda slānis palielinās ar ātrumu aptuveni 0,1 mm stundā. Pie 800 grādiem, 0,5 mm stundā. Oksīds ir trausls un pārslās, atklājot svaigu metālu. Otrkārt, izplešanās pretestības stieples un MgO izolācijas iekšējais spiediens izraisa no šļūdes laika atkarīgu titāna substrāta plastisko deformāciju. Šļūde kļūst svarīga temperatūrā virs 400°C. Pārrāvums ir definēts kā apvalka sadalīšana gareniski vai izspiedums un pārsprāgšana, ko izraisa sienas vājināšanās, ko izraisa oksidēšanās un šļūdes pagarināšanās.
Abus mehānismus ietekmē sienas biezums. Biezākai sienai ir vairāk titāna, kas oksidējas pirms atšķaidīšanas līdz plīsumam, un tai ir lielāka šļūdes pretestība, jo šļūdes ātrums ir apgriezti proporcionāls sienas biezuma kvadrātam. Taču palielināts sienu biezums nozīmē vairāk siltuma, kas var izraisīt augstāku maksimālo temperatūru sausā{2}}ugunsgrēka laikā.
Apkures ātruma ietekme uz siltuma veiktspēju
Sausā režīmā temperatūras pieaugums ir: dT/dt=q / ρ C pt − h (T − T gaiss )/ ρ C pt kur t ir sienas biezums. Biezākai sienai ir zemāks sildīšanas ātrums, jo lielāka masa saņem tādu pašu jaudu. Aprēķinātais laiks, lai sasniegtu 600 grādus (kritiskā oksidācijas temperatūra) pie mainīga sienu biezuma, ja tipisks jaudas blīvums ir 3,0 W/cm2:
Sienas biezums Laiks līdz 600 grādiem (sausa, h=30 W/m2K) Laiks līdz 800 grādiem (plīsums) Atteices režīms Kopējais izdzīvošanas laiks
0,8 mm 45 sekundes 1,5 minūtes 1,5 minūtes Ātra oksidēšanās, pārsprāgt
1,0 mm 70 sek 140 sek 2,3 min Oksidācijas atšķaidīšana, šķelšanās.
1,2 mm 100 sekundes 200 sekundes 3,3 minūtes Šļūdes plīsums
Šļūdes pārrāvums 1,5 mm 150 s 300 s 5,0 min
2,0 mm 240 sek 480 sek 8,0 min Šļūdes plīsums
2,5 mm 360 sek 720 sek 12 minūtes Šļūdes kļūme
Sienas biezums ir aptuveni proporcionāls izdzīvošanas laikam. 2,0 mm siena kalpo 8 minūtes – 3,5 reizes ilgāk nekā 1,2 mm siena (3,3 minūtes).
Sintēzes{0}}izmaiņa: optimāls sienas biezums sausai{1}}ugunsgrēka gadījumā
Sienas biezums, izdzīvošanas laiks (minūtēs), relatīvais kalpošanas laiks, izgatavojamībaIeteicams sausā{0}}ugunsgrēka risks?
1,0 mm 2,3 min 1,0 × bāzes līnija Viegli Nē (pārāk īss)
1,2 mm 3,3 min 1,4× Easy Marginal
1,5 mm 5,0 min 2,2× Standarta Jā
1,8 mm 7,0 min 3,0× Iespējams (ierobežots piedāvājums) Jā
2,0 mm 8,0 min 3,5× Īpašs pasūtījums Jā (vislabāk praktiski)
2,5 mm 12 min 5,2× Tricky (problēmas ar liecēm) Overkill
Iespējamais maksimālais sieniņu biezums liektām titāna sildītāja caurulēm ir 2,0 mm (lieces ierobežojumi). 2,0 mm siena nodrošina 8 minūšu izdzīvošanas laiku -— pietiekami, lai operators varētu reaģēt lielākajā daļā apšuvuma tvertnes līmeņa pazemināšanās situāciju.
Inženierzinātnes aiz sienas: sausas{0}}ugunsgrēka novēršanas ierīces
Sienas biezums nodrošina pasīvu aizsardzību, taču tas nekad nedrīkst būt galvenais aizsardzības līdzeklis pret sausu darbību. Labākā pieeja ir pievienot līmeņa slēdzi, kas savienots ar sildītāja kontaktoru. Pludiņa slēdzis vai vadītspējas zonde, kas atvieno sildītāju, kad šķidruma līmenis nokrītas zem sildītāja, pilnībā novērš sauso-uguns rašanos un sienas biezumam nav nozīmes. Apvalkam netālu no aukstās tapas ir pievienots termiskais ierobežojums (TCO) un noregulēts uz 150 grādiem sekundārajai aizsardzībai. Ja apvalka temperatūra ir virs 150 grādiem (sausā darbība), TCO atver ķēdi. Tātad ar šiem aktīvajiem aizsargiem pietiek ar tipisku 1,2 mm sienu. Ja to nav, 2,0 mm sienas biezums nodrošina operatoram 8 minūšu laiku iejaukšanās veikšanai.
Secinājums: biezākas sienas rezultāti lineārajā izdzīvošanas laika pagarinājumā
Izmantojot biezākas sienas titāna sildītāja caurules, var nodrošināt ilgāku laiku pirms apvalka plīsuma, ja šķidruma līmeņa pazemināšanās dēļ tās laiku pa laikam tiek izžāvētas. Izdzīvošanas laika skalas parasti ir lineāras ar sienas biezumu: 2,0 mm siena izdzīvo 8 minūtes (3,5 reizes garāka nekā 1,2 mm siena (3,3 min)). Sausā -ugunsbīstamības lietojumos ir ieteicama 2,0 mm titāna siena, kas ir saprātīgs kompromiss starp izdzīvošanas ilgumu (8 min) un izgatavojamību. Sienas biezums ir pasīvs rezerves kopums, bet līmeņa slēdzis un termiskā izslēgšana ir aktīva sausā{11}}ugunsgrēka novēršana, kas vienmēr ir jāievieš. Sildītājiem, ko izmanto apšuvuma tvertnēs, kurām var būt līmeņa novirzes, norādiet 2,0 mm sienas neparedzētu situāciju un obligātu līmeņa bloķēšanu. Sniedziet ražotājam paredzamo operatora reakcijas laiku, lai noteiktu minimālo nepieciešamo sienas biezumu . 2.0 mm, kas nodrošinās pietiekamu rezervi lielākajai daļai lietojumu.
