Jaká tloušťka stěny zajišťuje nejdelší dobu přežití před prasknutím pláště u titanové ohřívací trubice, která musí vydržet občasný suchý provoz (např. pokles hladiny kapaliny pod ohřívačem v pokovovací nádrži)?

Základní kompromis v konstrukci titanového ohřívače pro případ suchého-požáru
V pokovovacích nádržích může odpařování, vypouštění nádrže nebo porucha čerpadla způsobit pokles hladiny kapaliny pod ponorný ohřívač. Suchý provoz (poháněný ohřívač vzduchem nebo párou) generuje rychlý nárůst teploty, protože koeficient přenosu tepla vzduchu je mnohem nižší (h=10–50 W/m2·K) než u kapaliny (h ≈ 500–5 000 W/m2·K). Během několika minut může teplota titanového pláště stoupnout nad 800 stupňů a způsobit oxidaci, tečení a prasknutí. Tloušťka stěny má na dobu přežití-požáru dva vlivy. Silnější stěna poskytuje více tepelné hmoty (pomalejší ohřev) a více materiálu k oxidaci před prasknutím, ale také vede k vyššímu vnitřnímu pnutí v důsledku rozdílné roztažnosti. V této práci kvantifikujeme dobu přežití pro několik tlouštěk stěny v suchém provozu a najdeme tloušťku stěny, která maximalizuje dobu přežití.

Účinky na mechanickou integritu: režimy oxidace a tečení
U titanového ohřívače pracujícího na sucho na vzduchu při atmosférickém tlaku dochází ke dvěma poruchovým režimům za sebou. Nejprve se povrch titanu zoxiduje na silnou a křehkou oxidovou vrstvu, kterou je rutilový TiO2. K oxidaci dochází s parabolickou kinetikou: nárůst hmotnosti $\\propto \\sqrt{t}$. Při 600 stupních se vrstva oxidu zvyšuje rychlostí přibližně 0,1 mm za hodinu. Při 800 stupních, 0,5 mm za hodinu. Oxid je křehký a odlupuje se, aby odhalil čerstvý kov. Za druhé, vnitřní tlak rozpínajícího se odporového drátu a izolace MgO způsobuje plastickou deformaci titanového substrátu závislou na čase tečení. Creep se stává důležitým při teplotě nad 400 °C. Prasknutí je definováno jako podélné rozštěpení pláště nebo vyboulení a prasknutí v důsledku kombinovaného působení zeslabení stěny odlupovací oxidací a protažením při tečení.

Oba mechanismy jsou ovlivněny tloušťkou stěny. Silnější stěna má více titanu k oxidaci před ztenčením až prasknutím a má silnější odolnost proti tečení, protože rychlost tečení je nepřímo úměrná druhé mocnině tloušťky stěny. Ale větší tloušťka stěny znamená více tepla, což může vést k vyšším špičkovým teplotám během suchého-požáru.

Vliv rychlosti ohřevu na tepelný výkon
V suchém provozu je nárůst teploty: dT/dt=q / ρ C pt − h (T − T vzduch )/ ρ C pt kde t je tloušťka stěny. Silnější stěna vykazuje nižší rychlost ohřevu, protože větší hmota přijímá stejný příkon. Vypočítaný čas pro dosažení 600 stupňů (kritická oxidační teplota) pro různé tloušťky stěny pro typickou hustotu výkonu 3,0 W/cm2:

Tloušťka stěny Doba do 600 stupňů (suchá, v{1}} W/m2K) Doba do 800 stupňů (protržení) Režim selhání Celková doba přežití
0,8 mm 45 sekund 1,5 minuty 1,5 minuty Rychlá oxidace, prasknutí
1,0 mm 70 s 140 s 2,3 min Oxidační ředění, štěpení.
1,2 mm 100 sekund 200 sekund 3,3 minuty Creep ruptura
Creep ruptura 1,5 mm 150 s 300 s 5,0 min
2,0 mm 240 s 480 s 8,0 min Trhání při tečení
2,5 mm 360 s 720 s 12 minut Porucha tečení
Tloušťka stěny je přibližně úměrná době přežití. Stěna o tloušťce 2,0 mm trvá 8 minut – 3,5krát déle než stěna o tloušťce 1,2 mm (3,3 minuty).

Výhoda-syntézy: Optimální tloušťka stěny pro případ suchého-požáru
Tloušťka stěny, doba přežití (minuty), relativní životnost, vyrobitelnost Doporučeno pro suché-nebezpečí požáru?
1,0 mm 2,3 min 1,0× základní linie Snadné Ne (příliš krátké)
1,2 mm 3,3 min 1,4× Snadný okraj
1,5 mm 5,0 min 2,2× Standardní Ano
1,8 mm 7,0 min 3,0× Možné (omezené množství) Ano
2,0 mm 8,0 min 3,5× Speciální objednávka Ano (nejlepší praktické)
2,5 mm 12 min 5,2× Záludný (problémy s ohýbáním) Přehnaná síla
Maximální možná tloušťka stěny pro ohýbané titanové ohřívací trubky je 2,0 mm (omezení ohybu). Stěna o tloušťce 2,0 mm poskytuje 8 minut přežití - – dostačující na to, aby operátor zareagoval ve většině situací při poklesu hladiny pokovovací nádrže.

Engineering Past the Wall: Suchá-zařízení pro prevenci požárů
Tloušťka stěny poskytuje pasivní ochranu, ale nikdy by neměla být hlavním prostředkem ochrany proti chodu nasucho. Nejlepší přístup je přidat hladinový spínač spojený se stykačem topení. Plovákový spínač nebo vodivostní sonda, která -odpojí ohřívač, když hladina kapaliny klesne pod ohřívač, zcela vylučuje suchý-oheň a tloušťka stěny je irelevantní. Tepelné omezení (TCO) je připevněno k plášti poblíž studeného kolíku a je nastaveno na 150 stupňů pro sekundární ochranu. Pokud je teplota pláště vyšší než 150 stupňů (suchý provoz), TCO otevře okruh. Takže s těmito aktivními ochranami stačí typická stěna 1,2 mm. V případě jejich nepřítomnosti poskytuje tloušťka stěny 2,0 mm operátorovi klíčové 8minutové okno pro zásah.

Závěr: Silnější stěna má za následek lineární prodloužení doby přežití
Použití titanových topných trubek se silnější stěnou může poskytnout delší dobu před prasknutím pláště, pokud jsou občas vyschlé kvůli poklesu hladiny kapaliny. Časová měřítka přežití obecně lineárně s tloušťkou stěny: 2,0 mm stěna přežije 8 minut (3,5x delší než 1,2 mm stěna (3,3 min)). Pro suché-aplikace s rizikem požáru se doporučuje 2,0 mm titanová stěna, což je rozumný kompromis mezi dobou přežití (8 minut) a vyrobitelností. Tloušťka stěny je pasivní záloha, ale hladinový spínač a tepelná pojistka jsou aktivní suchou{11}}požární prevencí, která by měla být vždy implementována. U ohřívačů používaných v pokovovacích nádržích, u kterých může docházet k výkyvům hladiny, specifikujte 2,0 mm stěnu a povinné blokování hladiny. Poskytněte výrobci předpokládanou dobu odezvy operátora, aby stanovil minimální potřebnou tloušťku stěny. 2.0 mm, což poskytne dostatečnou rezervu pro většinu aplikací.