Kui soolvee jahuti aurustis kasutatakse titaanist küttetoru (kasutatakse 20% CaCl₂ soolveesse -20–40 kraadise soojuspumba tsükliga), kuidas mõjutab seina paksus madalal temperatuuril habrenemise ja murdumise ohtu?
Jäta sõnum
Põhiline vahetus{0}}titaanküttekeha disainis Subzero soolvee teenuse jaoks
Soolvee jahuti aurustites kasutatakse sekundaarse külmutusagensina 20% kaltsiumkloriidi (CaCl2) soolvett, mis töötab -20 kraadi juures (aurustamine) ja 40 kraadi juures (kondensatsioon/sulatus). Mõnikord on sulatamiseks või temperatuuri säilitamiseks paigaldatud titaanist küttetorud. Titaani üleminekutemperatuur plastilisusest rabedaks on alla nulli. Titaan jääb plastiliseks kuni -250 kraadini, erinevalt süsinikterasest, kuid sälgud, jääkpinge või vesinik võivad põhjustada rabedaid purunemisi alla -10 kraadi. Seina paksus mõjutab pingeolukorda sälgu otsas ja jahutuskiirust termilise tsükli ajal. Analüüsis hinnatakse madala temperatuuriga rabedusmurdude riski titaanist küttetorudes, mille tsüklid on vahemikus -20 kraadi kuni 40 kraadi, ja arvutatakse seina paksus, mis seda riski minimeerib.
Mõju mehaanilisele terviklikkusele: titaani plastiline üleminek rabedaks
Titaani klass 2 on kuusnurkse tihedalt pakitud (HCP) kristallstruktuuriga. Erinevalt BCC-terastest ei esine HCP-metallidel teravat plastilisusest -haprale üleminekutemperatuurile{3}}. Titaan näitab Charpy löögienergiat üle 50 J kuni -50 kraadini. Murdetugevus langeb aga miinus{12}}temperatuuril, samas kui seal on terav sälk (nt keevisõmblus, kriimustus või auk). 2. klassi titaani tasapinnalise deformatsiooni purunemiskindlus K_IC 20 kraadi juures on umbes 100 MPa√m ja –20 kraadi juures väheneb see 70–80 MPa√m. Kui teil on sälk koos järelejäänud tõmbepingega (painutamisel või keevitamisel), võite saada rabeda luumurru. Ikka päris karm.
Seina paksus mõjutab pinge kolmeteljelisust sälgu otsas. Mida suurem on paksus, seda tugevam on piirang, st pingeseisundi kolmeteljelisus (tasapinnalise deformatsiooni lähedal) on suurem, mille tulemuseks on nähtava murdumistugevuse vähenemine. Täheldati, et 2,0 mm seinal on suurem piirang kui 1,0 mm seinal ja seetõttu on see madalatel temperatuuridel kergem purunema. Murdemehaanikal põhinevad arvutused näitavad, et 1,0 mm seina puhul on -20 kraadi juures hapra murdumise kriitiline tõrke suurus umbes 2 mm. 2,0 mm seina puhul on see 1,5 mm. Paksem sein on vastuvõtlikum väiksematele vigadele.
Mõju soojustõhususele: jahutuskiirus ja termiline stress
Üleminekul 40 kraadilt −20 kraadile pressivad titaankest ja sisemised komponendid (MgO, takistustraat) erineva kiirusega kokku, tekitades termilise pinge. Soojuspinge $\\sigma_{termiline}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8,6e-6 * 60=54 MPa, tunduvalt alla saagise. Kuid kütteseadme külmatsükli töös põhjustab täiendav elektriküte kogu seina temperatuurigradienti. Paksem sein (2,0 mm) näitab suuremat gradienti (ΔT_cond=2.5 kraad 2,0 W/cm² juures) kui õhem sein (1,2 kraadi). Gradient tekitab sisepinnale ka paindepinget.
Kompromiss-süntees: seina paksus ja madalal temperatuuril{1}}murdmise oht
Seina paksus (mm) Murdetugevus KIC -20 kraadi juures (MPa√m) Murde kriitiline mõõtmed (mm) Paindest tingitud jääkpinge (MPa) Murdeoht madalal temperatuuril
0,8 mm 80 (tasapinnaline pinge domineeriv) 2,5 mm 50 MPa Madal 1,0 mm 78 (segarežiim) 2,2 mm 55 MPa Madal 1,2 mm 75 (segarežiim) 1,9 mm 60 MPa Madal-Mõõdukas
1,5 mm 72 (läheneb tasapinnaline deformatsioon) 1,6 mm 65 MPa Mõõdukas 2,0 mm 68 (tasapinnaline deformatsioon) 1,3 mm 75 MPa Mõõdukas-Kõrge
Paksemad seinad on vähem murdumiskindlad{0}}(suuremad piirangud) ja väiksemate kriitiliste rikete mõõtmetega, mistõttu võivad need väiksemate defektide tõttu haprad puruneda.
Insenerid väljaspool seina: sulamid ja defektide kontroll
Kuna murdumisriski põhjustavad vea suurus ja piirangud, on vigade vähendamine tõhusam kui seina paksuse muutmine. Titaanpinna elektropoleerimine (Ra Väiksem või võrdne 0,2 µm) kõrvaldab teravad sälgud ja vähendab pingekontsentratsiooni. Kõige tüüpilisemad murdumiskohad kõrvaldatakse, tagades, et keevisõmblused on siledaks lihvitud (ilma sisselõiketa). Titaani klassi 1 tõstmine (vähem rauda ja hapnikku, suurem plastilisus) parandab tugevust madalal temperatuuril. 1. astme K_IC on -20 kraadi juures 90–100 MPa√m, seega on see põhimõtteliselt immuunne rabedate murdude suhtes isegi 2,0 mm seinapaksusega. Väga madala temperatuuriga teenuse jaoks eelistatakse 1. klassi.
Järeldus: õhuke sein (1,0–1,2 mm) on soodne sub-soolvee nullteenuse jaoks
Titaanist küttetoru 20% CaCl2 soolvees -20-40-kraadise tsükliga madalal-temperatuuril murenemise ja purunemise oht on suurem, kui seinapaksus on õhem (1,0–1,2 mm) kui paksem (1,8–2,0 mm). Paksematel seintel on suurem pinge kolmeteljelisus (piirang), mis vähendab näilist purunemiskindlust ja vähendab hapra murdumise kriitilist tõrke suurust. -20 kraadi juures võib 2,0 mm seina puruneda 1,3 mm tõrke tõttu, 1,0 mm seina aga talub 2,2 mm defekti. Soovitatav spetsifikatsioon on 1. või 2. klassi titaanseina paksus 1,0–1,2 mm, elektropoleeritud pinnaviimistlus ja siledad maandatud keevisõmblused. Paksemaid seinu (suurem kui 1,5 mm või sellega võrdne) tuleks vältida, välja arvatud 1. klassi titaanile uuendamisel. Esitage tootjale minimaalne töötemperatuur ja eeldatav rikke suurus (nt kriimustused, keevisõmblus). Lahjem on parem murdumiskindluse tagamiseks soolvee jahuti teeninduses miinustsüklitega.
