Яка товщина стінки забезпечує найдовший час служби до розриву оболонки для титанової нагрівальної трубки, яка має витримувати час від часу суху роботу (наприклад, падіння рівня рідини нижче нагрівача в резервуарі для покриття)?

Фундаментальний компроміс у конструкції титанового обігрівача для-сухої пожежі
У резервуарах із покриттям випаровування, зливання резервуара або несправність насоса можуть спричинити падіння рівня рідини нижче занурювального нагрівача. Суха робота (нагрівач, що працює на повітрі або в парі) призводить до швидкого підвищення температури, оскільки коефіцієнт теплопередачі повітря набагато нижчий (h=10–50 Вт/м2·K), ніж у рідини (h ≈ 500–5000 Вт/м2·K). Протягом декількох хвилин температура титанової оболонки може піднятися вище 800 градусів, викликаючи окислення, повзучість і розрив. Товщина стінки має два впливи на час-виживання сухої пожежі. Більш товста стінка дає більше термічної маси (повільніше нагрівання) і більше матеріалу для окислення перед розривом, але також призводить до більшої внутрішньої напруги через диференціальне розширення. У цій роботі ми кількісно визначаємо час виживання для кількох товщин стінки в сухому режимі та знаходимо товщину стінки, яка максимізує тривалість виживання.

Вплив на механічну цілісність: режими окислення та повзучості
У титановому нагрівачі, який працює в сухому стані на повітрі при атмосферному тиску, виникають два режими відмови. Спочатку поверхня титану окислюється до товстої та крихкої окалини, яка є рутилом TiO2. Окислення відбувається з параболічною кінетикою: збільшення ваги $\\propto \\sqrt{t}$. При 600 градусах шар оксиду збільшується зі швидкістю приблизно 0,1 мм на годину. При 800 градусах, 0,5 мм на годину. Оксид є крихким і відшаровується, відкриваючи свіжий метал. По-друге, внутрішній тиск дроту опору розширенню та ізоляції MgO викликає залежну від часу повзучості пластичну деформацію титанової підкладки. Повзучість стає важливою при температурі вище 400 °C. Розрив визначається як подовжнє розколювання оболонки або вибухання та лопання внаслідок комбінованої дії ослаблення стінки шляхом окислення відколювання та подовження повзучості.

На обидва механізми впливає товщина стінки. Більш товста стінка має більше титану для окислення перед витонченням і розривом і має сильніший опір повзучості, оскільки швидкість повзучості обернено пропорційна квадрату товщини стінки. Але збільшення товщини стінок означає більше тепла, що може призвести до вищих пікових температур під час-сухого вогню.

Вплив швидкості нагрівання на теплові характеристики
У сухому режимі підвищення температури становить: dT/dt=q / ρ C pt − h (T − T повітря )/ ρ C pt, де t — товщина стінки. Більш товста стінка демонструє нижчу швидкість нагрівання, оскільки більша маса отримує таку саму вхідну потужність. Розрахований час досягнення 600 градусів (критична температура окислення) для різної товщини стінки для типової щільності потужності 3,0 Вт/см2:

Товщина стінки Час до 600 градусів (сухий, год=30 Вт/м2K) Час до 800 градусів (розрив) Режим відмови Загальний час виживання
0,8 мм 45 секунд 1,5 хвилини 1,5 хвилини Швидке окислення, вибух
1,0 мм 70 с 140 с 2,3 хв Окислювальне розрідження, розділене.
1,2 мм 100 секунд 200 секунд 3,3 хвилини Розрив повзучості
Розрив повзучості 1,5 мм 150 с 300 с 5,0 хв
2,0 мм 240 с 480 с 8,0 хв Розрив повзучості
2,5 мм 360 с 720 с 12 хв Порушення повзучості
Товщина стінки приблизно пропорційна часу виживання. Стінка товщиною 2,0 мм триває 8 хвилин – у 3,5 рази довше, ніж стінка товщиною 1,2 мм (3,3 хвилини).

Компроміс-у синтезі: оптимальна товщина стінки для сухої-пожежної ситуації
Товщина стінки, час виживання (хвилини), відносний термін служби, технологічність Рекомендовано для сухої-небезпеки пожежі?
1,0 мм 2,3 хв 1,0× базова лінія Легко Ні (занадто короткий)
1,2 мм 3,3 хв 1,4× Легкий край
1,5 мм 5,0 хв 2,2× Стандарт Так
1,8 мм 7,0 хв 3,0× Можливо (обмежена кількість) Так
2,0 мм 8,0 хв. 3,5× Спеціальне замовлення Так (найкраще практично)
2,5 мм 12 хв 5,2× Складно (проблеми згинання) Надмір
Допустима максимальна товщина стінки для гнутих титанових труб нагрівача становить 2,0 мм (обмеження на згин). Стінка товщиною 2,0 мм забезпечує 8 хвилин виживання - – цього достатньо для того, щоб оператор зреагував у більшості ситуацій падіння рівня в резервуарі покриття.

Інженерія за стіною: сухі-протипожежні пристрої
Товщина стінки забезпечує пасивний захист, але ніколи не повинна бути основним засобом захисту від сухого ходу. Найкращим підходом є додавання реле рівня, пов’язаного з контактором нагрівача. Поплавковий вимикач або датчик провідності, який-вимикає нагрівач, коли рівень рідини опускається нижче нагрівача, повністю виключає сухе{3}}пожежу та робить неважливою товщину стінки. Термічний відсік (TCO) прикріплений до оболонки біля холодного штифта та налаштований на 150 градусів для додаткового захисту. Якщо температура оболонки вище 150 градусів (суха робота), TCO розмикає ланцюг. Таким чином, з цими активними захистами достатньо типової стінки 1,2 мм. За їх відсутності товщина стінки 2,0 мм дає оператору ключове 8-хвилинне вікно для втручання.

Висновок: більш товста стінка призводить до подовження лінійного часу виживання
Використання титанових нагрівачів з товстішими стінками може забезпечити більший час до розриву оболонки, якщо вони іноді висушуються через падіння рівня рідини. Шкали живучості зазвичай лінійно залежать від товщини стінки: стінка 2,0 мм живе 8 хвилин (у 3,5 рази довше, ніж стінка 1,2 мм (3,3 хв)). Для сухих -приміщень із ризиком пожежі рекомендується титанова стінка 2,0 мм, що є розумним компромісом між тривалістю виживання (8 хв) і технологічністю. Товщина стінки є пасивним резервом, але реле рівня та теплове відсікання є активним сухим{11}}запобіганням пожежі, яке завжди слід застосовувати. Для нагрівачів, що використовуються в резервуарах з покриттям, які можуть мати відхилення рівня, вкажіть 2,0 мм стінки на випадок і обов’язкове блокування рівня. Надайте прогнозований час реакції оператора виробнику, щоб визначити мінімально необхідну товщину стінки . 2.0 мм, що дасть достатній запас для більшості застосувань.