Kāda ir maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma 7. klases titāna apvalka sildītājam, kas iegremdēts 15% sērskābē 90 grādu leņķī, lai izvairītos no lokālas viršanas{3}}izraisītas korozijas?

Augsta temperatūra sērskābes darbībā ir grūta vide titāna apkures iekārtām. 7. pakāpes titānam (Ti-0,15Pd) ir laba izturība pret koroziju 15 % H2SO4 90 °C temperatūrā parastos iegremdēšanas apstākļos, taču lokālo ķīmisko sastāvu ievērojami maina karstas virsmas klātbūtne. Uz titāna apvalka virsmas sērskābes šķīduma lokālā viršana notiek metāla{12}}šķidruma saskarnē, kad siltuma plūsma sasniedz kritisko vērtību. Vārīšanās noved pie skābes koncentrācijas pie apsildāmās virsmas un paaugstina vietējo temperatūru virs 90 grādiem, kā arī var mainīt korozijas izturēšanos no pasīvas uz aktīvu. Rezultāts ir paātrināts uzbrukums, kas tiek uztverts kā korozijas gredzens tvaiku{17}}šķidruma saskarnē vai kā bedres tieši zem pielipušajiem tvaika burbuļiem. Šajā rakstā ir noteikta maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma 7. pakāpes titāna apvalka sildītājiem 15% sērskābē 90 grādu temperatūrā, lai izvairītos no šī viršanas izraisītā korozijas mehānisma.

Korozijas process, ko izraisa viršana
Sērskābe ir ne{0}}azeotrops šķīdums, kura viršanas temperatūra ir atkarīga no tā koncentrācijas. 15% H₂SO₂ pie atmosfēras spiediena tilpuma viršanas temperatūra ir aptuveni 103 grādi. Tvaika burbuļi veidojas pie virsmas nepilnībām, kad sildītāja apvalka virsmas temperatūra pārsniedz vietējo viršanas temperatūru. Burbuļa veidošanās izraisa šķidruma plēves starp to un karsto virsmu iztvaikošanu, koncentrējot sērskābi šajā plānā slānī. Koncentrācija var palielināties no 15% līdz 30-50% milisekundēs no burbuļa veidošanās, un vietējā temperatūra metāla virsmā zem burbuļa sasniedz sienas pārkaršanas temperatūru, parasti par 5-20 ° C virs viršanas temperatūras.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 mm/gadā. Viršanas -inducētais koncentrācijas slānis lokāli rada agresīvus apstākļus precīzi, kā rezultātā notiek strauja metāla zudums burbuļu kodolu veidošanās vietās.

Siltuma plūsmas sliekšņa noteikšana
Kritiskā siltuma plūsma (CHF) 15% sērskābes viršanai kodolā 90 grādu temperatūrā ir stāvoklis, kad tvaika burbuļu veidošanās ir pietiekami spēcīga, lai uzturētu koncentrētu skābes slāni. Izmantojot CHF, burbuļi parādās periodiski un ātri izplūst, ļaujot koncentrētajam pārklājumam iekļauties masā pirms nopietnas korozijas sākuma. Virs CHF palielinās burbuļu blīvums, notiek saplūšana un var veidoties nepārtraukta tvaika plēve (pāreja uz plēves vārīšanu). Šie efekti paātrina koncentrēšanos un koroziju.

Eksperimentālie pētījumi ar 7. pakāpes titāna testa zondi, kas iegremdēta 15% H2SO4 90 grādu temperatūrā, atklāj pēkšņu korozijas ātruma pieaugumu pie siltuma plūsmas, kas pārsniedz 35 kW/m2. Korozijas ātrums pie 25 kW/m2 ir mazāks par 0,05 mm/gadā. Pie 35 kW/m2 ātrums pieaug līdz 0,10 mm/gadā, kas joprojām ir pieņemams lielākajai daļai lietojumu. Pie 45 kW/m2 ātrums palielinās līdz 0,35 mm/gadā. Ātrums pārsniedz 0,8 mm gadā pie 55 kW/m², un tvaiku{21}}šķidruma saskarnē rodas redzama gredzenveida korozija. Ātrs lokāls uzbrukums caurdur 1,65 mm sienu 1000 stundās pie 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 gadi) darbība ir 40 kW/m². Lietojumprogrammām, kuru kalpošanas laiks ir 2-3 gadi, ir pieļaujama 50 kW/m2. Ja vērtība pārsniedz 60 kW/m², 7. pakāpes titāns nav piemērots neatkarīgi no sienas biezuma.

Mazinošie faktori un pielietojuma matrica
Darbības apstākļi un sildītāja iestatīšanaMaksimālā pieļaujamā siltuma plūsma (kW/m2) Paredzamais korozijas mehānisms Ieteicamais sienas biezums
Vertikālā orientācija, pilnībā iegremdēta, laba dabiskā konvekcija 40 kW/m² (nepārtraukta) Vienmērīga pasīvā korozija<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Pilnībā iegremdēts, horizontāls izlīdzinājums, laba konvekcija 35 kW/m² Zema viršanas koncentrācija augšējā virsmā 1,65 mm
Daļēji iegremdēts (tvaiku{0}}šķidruma saskarne ir) 25 kW/m2 Meniska gredzena korozija 2,0 mm vai novērst daļēju iegremdēšanu
Sajaukta tvertne (mehāniska vai gaisa izsmidzināšana) 50 kW/m² Sajaucot saplīst burbuļi, koncentrācija samazinās par 1,2-1,5 mm
Zema cirkulācija, stāvoša tvertne 30 kW/m2 Burbuļu ilgmūžība palielina uzbrukumu 1,65 mm
Jebkurš pakalpojums ar virsmas piesārņojumu/zvīņošanos 25 kW/m2 Netīrumi palielina lokālo virsmas temperatūru 2,0 mm Praktiski projektēšanas ieteikumi
Maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma nepārtrauktai darbībai bez viršanas korozijas 7. pakāpes titāna apvalka sildītājam, kas iegremdēts 15% sērskābē 90 grādu temperatūrā, ir 40 kW/m^2. Šī siltuma plūsma noved pie virsmas temperatūras aptuveni 8–10 grādus virs tilpuma šķidruma temperatūras, saglabājot metāla virsmu zem 100 grādiem un ierobežojot tvaika burbuļu veidošanās spēku. Inženieriem vajadzētu palielināt apsildāmās virsmas laukumu, nevis vatu blīvumu, lai iegūtu vēlamo sildīšanas ātrumu šajā ierobežojumā. To pašu kopējo jaudu var nodrošināt ar mazāku siltuma plūsmu, izmantojot garāku sildītāju vai daudzas mazāka diametra caurules tandēmā. Pasūtot sildītāju, jautājiet aprēķināto apvalka siltuma plūsmu (kopējā jauda dalīta ar iegremdētā apvalka virsmas laukumu) un pārliecinieties, ka tā nav lielāka par 40 kW/m2. Sistēmās ar sliktu cirkulāciju vai kur daļēja iegremdēšana ir neizbēgama, samaziniet pieļaujamo plūsmu līdz 25-30 kW/m2 vai izvēlieties alternatīvu apkures metodi, piemēram, tvaika izsmidzināšanu.