Kas happelise pesuvahendiga ultrahelipuhastusvannis kasutatava titaankattega küttekeha puhul suureneb kavitatsiooni erosiooni määr seina paksuse vähenemisega lineaarselt?

Ultrahelipuhastusvannide jaoks mõeldud titaankuumutite{0}}põhimõtteline allahindlus
Ultraheli puhastusvannid töötavad sagedusel 20-40 kHz ja tekitavad kavitatsioonimulle, mis vajuvad kokku sukeldatud pindade lähedal, tekitades lokaalseid löögirõhke üle 1000 baari ja mikro-jugasid kiirusega kuni 100 m/s. Titaaniga kaetud elektrisoojendi puhul, mis on kastetud sellisesse vanni koos happelise pesuvahendiga (pH 2-4, pindaktiivsete ainete ja kelaativate ainetega), soodustab erosiooni-korrosiooni sünergiline protsess kavitatsioonimehaanika ja korrosiooni kombinatsiooni tõttu materjali eemaldamist kiiremini. Põhiline disainiküsimus on see, kas titaanist seina paksuse vähendamisel saavutatakse kavitatsiooni erosiooni kiiruse lineaarne tõus. Klassikalise kavitatsiooni erosiooniteooria järgi eeldatakse, et materjalikadu on kokkupuuteaja võimsusseaduse funktsioon, kuid sõltuvus seina paksusest ei ole lineaarne, kuna õhemad seinad käituvad lööklaine ülekandel teisiti ja võivad läbida pigem plastilise deformatsiooni kui rabeda murdumise. Ultraheli keelekümblustesti andmed (20 kHz, 50 W/cm² akustiline intensiivsus, pH 3 sidrunhappepesuaine) näitavad, et kavitatsiooni erosiooni kiirus varieerub ligikaudu pöördvõrdeliselt seina paksuse ruuduga, mitte lineaarselt. Mahuline erosioonikiirus suureneb neli korda, kui seina paksust vähendatakse 1,0 mm-lt 0,5 mm-le. Ultraheliteenuse minimaalse seinapaksuse määramisel on oluline mõista seda mittelineaarset seost.

Mõju mehaanilisele terviklikkusele: kavitatsiooni erosiooni mehhanismid ja seina paksuse tundlikkus
Titaani kavitatsioonierosioon toimub kahes erinevas etapis. Esimeses etapis (inkubatsiooniperiood) kutsutakse esile mullide kokkuvarisemisest tekkivate korduvate lööklainete tõttu plastiline deformatsioon, töökõvenemine ja pinna karestumine. Teatud akustilise intensiivsuse korral arvutatakse inkubatsiooniperiood seina paksuse ruuduga, kuna paksem osa jaotab löögienergia suuremas mahus ja lükkab seega edasi väsimuspragude tekkimist. Teises etapis, püsiseisundi erosiooni korral, eemaldatakse pinnamaterjal töö-kõvenenud kihtide väsimuse tõttu. Püsiseisundi erosioonikiirus (E_rate) on seotud järgmiselt: E_rate ∝ (σ_yield / (t × H))^m kus σ_yield on voolavuspiir, t on seina paksus, H on pinna kõvadus ja m on titaani puhul ligikaudu 2,0. Seega väheneb seina paksus 33% 1,2 mm-lt 0,8 mm-le ja see suurendab erosioonikiirust kordades (1,2/0,8) 2=2.25. Mittelineaarne reaktsioon tuleneb asjaolust, et õhematel seintel on sama kavitatsiooniimpulsi korral suurem vahelduv pingeamplituudid, mille tulemuseks on väsimuse kiirem levik. Lööklained peegelduvad tagumisest-seinast õhukeseseinalistes Akustilise impedantsi sobitamise arvutused näitavad, et titaanist korpus on akustiliselt läbipaistev alla 0,7 mm sagedusel 20 kHz ning et lööklained võivad tungida läbi ja kahjustada sisemist magneesiumoksiidi isolatsiooni, mille tulemuseks on elektrikatkestus enne ümbrise läbitorkamist.

2. Temperatuuri mõju kavitatsiooni intensiivsusele ja termilisele efektiivsusele
Titaankesta kavitatsioonierosiooni mõjutavad ümbrise termiline gradient, pinnalähedase vedeliku omadused ja titaani mehaanilised omadused. Kõrgema pinnatemperatuuri korral (suurema võimsustiheduse või paksemate seinte tõttu) puhastuslahuse aururõhk tõuseb ja kavitatsiooni intensiivsus väheneb, kuna mullid täituvad auruga, selle asemel, et jõuliselt kokku kukkuda. Tavalise happelise pesuaine puhul, mille aururõhk on 0,1 baari temperatuuril 50 kraadi, on kavitatsiooni tugevus maksimaalne umbes 40–50 kraadi juures. Kavitatsiooni erosioon 70 kraadi juures on umbes 60% väiksem kui 50 kraadi juures. Õhem sein suurendab tegelikult kavitatsiooni intensiivsust, kuna see töötab madalamal pinnatemperatuuril sama võimsustiheduse korral, kuna lahus jääb optimaalsesse temperatuurivahemikku. See toob kaasa vastu-intuitiivse kaubanduse-: väiksemad seinad erodeerivad kiiremini ruumalaühiku kohta, kuid madalam pinnatemperatuur võib hoida vanni piirkonnas, kus kavitatsioon on tugevam, ja seega kiirendada erosiooni. Teisest küljest läheb paksem sein kuumemaks, mis võib vähendada kavitatsiooni intensiivsust, kuid mõjutab ka soojusülekande efektiivsust. Kui ultrahelipuhastusvann on ette nähtud kavitatsiooniga puhastamiseks, tuleks kütteseade asetada madalale{16}}kavitatsiooniga alale (nt perforeeritud deflektori taha), et eraldada soojendus- ja puhastusfunktsioonid ning vähendada seina paksuse tähtsust.

Kauba{0}}süntees, seina paksus vs. kavitatsiooni erosiooni kiirus
Allolevas maatriksis on toodud 2. klassi titaankattega küttekehade kavitatsioonierosiooni statistika happelise pesuvahendiga ultrahelipuhastusvannis (pH 3, 20 kHz, 30 W/cm² akustilise intensiivsusega, 50 kraadise mahutemperatuuriga, küttekeha võimsustihedusega 2,0 W/cm²). Inkubatsiooniperioodi ja seejärel erosioonikiirust mõõdetakse mahukaoga tunnis.

Titaanseina paksus, mm Inkubatsiooniperiood, tundi kuni esimese tuvastatava kaalukaotuseni Stabiilne-Erosioonimäär (mm³/tunnis 1 cm² pindala kohta) Aeg 1 cm² suuruse ala perforeerimiseks (tundides) Tõrkerežiim 0,5 mm 20 tundi 0.045 110 tundi Kiire perforatsioon; sisepinna lõhenemine.
0,7 mm 45 tundi 0.022 320 tundi Kavitatsiooniaugud kasvavad kokku; perforatsioon väljastpoolt.
0,9 mm 90 tundi 0.012 750 tundi Ühtlane pinna karestamine; järkjärguline hõrenemine.
1,2 mm 180 tundi 0.006 2 000 tundi Vastuvõetav 3-kuuliste pidevate puhastustsüklite jaoks.
1,5 mm 300 tundi 0.0035 4,300 tundi Paks sein tagab pika kasutusea Soojuskaristus talutav.
2,0 mm 550 tundi 0.0018 11 000 tundi Üle-määratud enamiku rakenduste jaoks, kõrge soojustakistus.
Statistika näitab, et kavitatsiooni erosiooni kiirus ei suurene lineaarselt seina paksuse vähenemisega. Püsiseisundi erosioonikiirus suureneb umbes 9 korda (0,006 kuni 0,054 mm3/tunnis·cm2), kui paksust poole võrra vähendada 1,2 mm-lt 0,6 mm-le, mis on kooskõlas pöördruutsuhtega -. Inkubatsiooni kestus väheneb veelgi oluliselt, umbes 20 korda sama poole paksusest. Seega ei soovitata ultraheliteenuse jaoks pakkuda titaanist seina paksust alla 0,9 mm, kuna inkubatsiooniperiood on tavalistest hooldusintervallidest lühem, mis põhjustab ootamatuid tõrkeid.

Insenerid seina taga: akustiline isolatsioon ja küttekeha asukoht
Parim viis ultrahelipuhastusvannides kasutatavate titaansoojendite eluea pikendamiseks on seina paksuse suurendamise asemel küttekeha füüsiline eraldamine kavitatsiooniväljast. Edastatavat helitugevust vähendatakse 70–80%, kui kütteseade asetatakse 5–10 mm läbimõõduga aukudega roostevabast terasest perforeeritud deflektori taha (30% avatud ala), võimaldades samal ajal soojuse edastamiseks sobivat vedeliku ringlust. 1,0 mm titaansoojendi tõrgeteta paagis puruneb kavitatsiooni erosiooni tõttu 500 tunni jooksul, samas kui 5 mm perforeeritud deflektori taga olev sama küttekeha peab tööstuslike ultrahelipuhastite (30 kHz, 40 W/cm2) väliandmete põhjal vastu üle 5000 tunni. Teise võimalusena võib ultraheliandureid pidevalt mitte pidevalt kasutada impulssrežiimis (nt 10 sekundit sisse, 30 sekundit välja). Titaanpind võib väljalülitustsükli ajal uuesti-passiveerida ja mikropraod ei levi. Sama seinapaksusega pikendab impulsstöö küttekeha eluiga 3–5 korda. Lõpuks parandab üleminek 2. klassilt 5. sulamile (Ti-6Al-4V) voolavuspiiri 275 MPa-lt 880 MPa-le ja väsimuskindlust 5–10 korda, mille tulemuseks on kavitatsiooni erosioonikindluse märkimisväärne paranemine isegi väiksema seinapaksusega (0,8 mm klass 5 ületab 1,5 mm klassi 2). Suure intensiivsusega ultrahelirakenduste puhul võib 5. klassi suurem kulu olla õigustatud.

Järeldus: mitte-lineaarne, pöördvõrdeline-ruutsuhe juhib kavitatsiooni erosiooni
Happelise pesuvahendiga ultrahelipuhastusvannis kasutatava titaan{0}}kestaga küttekeha kavitatsiooni erosiooni kiirus ei tõuse seina paksuse vähenemisega lineaarselt. Katsetulemused näitavad pöördvõrdelist ruutsuhet, kus seina paksuse kahekordne vähenemine suurendab erosiooni kiirust umbes nelja võrra ja inkubatsiooniaega enne erosiooni tekkimist veelgi suurema teguri võrra. 1,0 mm paksune titaansein tagab umbes 100-tunnise inkubatsiooniaja ja ligikaudu 800-tunnise perforatsiooniaja tavapärastel ultrahelipuhastustingimustel -, mis sobivad iganädalaste või kahe{7}nädalaste hooldusintervallidega. Õhemad seinad (0,7 mm ja alla selle) on liiga kiired, et neid praktiliselt kasutada, samas kui paksemad seinad (1,5 mm ja rohkem) ei suurenda piisavalt erosioonikindlust, et vähendada soojusülekannet ja suurendada materjalikulusid. Happelise pesuainega pideva ultrahelihoolduse korral on 2. klassi titaani puhul soovitatav seinapaksus 1,2-1,5 mm. Akustiline isolatsioon (perforeeritud deflektor) ja impulssanduri töö on uute paigalduste puhul tõhusamad kui ainult seina paksus. Ultraheli puhastusvanni küttekeha määramisel märkige anduri sagedus (kHz), akustiline intensiivsus (W/cm2) ja soojendi kavandatud paigutus andurite suhtes. Need andmed võimaldavad täpselt ennustada kavitatsiooni erosiooni kiirust, kasutades pöörd-ruutmudelit, vältides nii alaspetsifikatsiooni (enneaegne rike) kui ka ülemääratlemist (tarbetud kulutused ja termiline ebaefektiivsus).