Jaká je minimální tloušťka stěny pro ohřívač s titanovým pláštěm trvale ponořený do přívodu tekoucí říční vody (celkem 300 ppm rozpuštěných pevných látek, pH 7,2, 25 stupňů), aby odolal kavitaci z blízkého čerpadla?

Základní kompromis v titanových ohřívačích pro pumpu-indukovanou kavitaci
Čerpadla v říčních sacích konstrukcích převádějí vodu do úpraven nebo průmyslových chladicích systémů. Někdy se titanové ohřívače umisťují, aby se zabránilo zamrznutí nebo aby se udržely minimální teploty. Pokud je ohřívač blízko vstupů nebo výtlaků čerpadla, je náchylný ke kavitaci, což je tvorba a rychlé zhroucení bublin páry v proudící vodě. Kavitace vytváří lokalizované rázové tlaky větší než 1 000 barů a mikrotrysky s rychlostmi až 100 m/s. To má za následek opotřebení titanových povrchů únavovým mechanismem. Minimální tloušťka stěny pro odolnost proti kavitační erozi je funkcí intenzity kavitace (funkce konstrukce čerpadla a rychlosti proudění) a odolnosti titanu vůči cyklickému zatížení. Tloušťka stěny poskytuje obětovanou vrstvu, která se může před perforací poškodit. Tato analýza identifikuje minimální tloušťku stěny nutnou pro podmínky kavitace v běžných čerpacích stanicích říční vody.

Vliv na mechanickou integritu: Mechanismus kavitační eroze
Když místní tlak klesne pod tlak vodní páry, dochází ke kavitaci a tvoří se bubliny páry. Tyto bubliny se pak rychle zhroutí, když narazí na oblasti vyššího tlaku. Hroutící se bublina vytváří mikro-proud o rychlosti 50-150 m/s, který dopadá na sousední povrch. Kumulativní účinek miliónů bublin, které se každou sekundu zhroutí, vede k únavě povrchu, deformačnímu zpevnění a nakonec ke ztrátě materiálu. Doba inkubace (doba do začátku pozorovatelného úbytku hmotnosti) pro titan 2. stupně závisí na síle kavitace vyjádřené kavitačním číslem σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Čím je σ nižší, tím je kavitace intenzivnější.

Normální rychlosti proudění v odběrech říční vody jsou 2–4 m/s v místě ohřívače. Číslo kavitace je mezi 0,3 a 1,0, což znamená středně těžkou až těžkou kavitaci. Rychlost kavitační eroze titanu stupně 2 za těchto podmínek je 0,2–0,8 mm za rok po inkubaci. Samotná inkubační doba je 100-500 hodin. Materiál je odstraněn a poté odstraněn konstantním tempem.

Vliv na tepelný výkon: Rychlost proudění a rychlost eroze
Rychlost kavitační eroze se škáluje s rychlostí na mocninu 4-6 (extrémně citlivé). Rychlost eroze se sníží faktorem 16–64, pokud se rychlost proudění sníží ze 4 m/s na 2 m/s. Tloušťka stěny nemá žádný vliv na rychlost eroze – pouze určuje, jak dlouho topidlo přežije po začátku eroze. Tepelný výkon (koeficient prostupu tepla) se zlepšuje s nárůstem rychlosti proudění, což je v rozporu. Vyšší rychlost zvyšuje účinnost ohřevu, ale podstatně zvyšuje kavitační erozi.

Minimální tloušťka stěny 10-letá životnost syntézy kompromisu
Rychlost proudění v ohřívači (m/s) Kavitační číslo (σ) Rychlost eroze (mm/rok) Doporučená stěna (s bezpečnostním faktorem) Minimální stěna pro životnost 10 let (mm)
1.5 m/s >1,0 (kavitace) 0.00 0.8 mm (strukturální) 0,8 mm
0,8 (střední) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 milimetru
2,5 m/s 0,6 (střední) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/s 0,4 (těžké) 0.60 6.0 mm Nepraktické 4,0 m/s 0,3 (velmi těžké) 1.50 15 mm Nemožné
Pro běžné odběry říční vody s rychlostmi proudění 1,5–2,0 m/s v místě ohřívače (nikoli na bezprostředním vstupu čerpadla) stačí stěna 1,2–1,5 mm pro životnost 10 let. Nad 2,5 m/s je potřebná tloušťka stěny nepraktická a je nutná redesign.

Engineering Beyond the Wall: Prevence kavitace a přemístění ohřívače
Rychlost kavitační eroze se škáluje se čtvrtou mocninou rychlosti nebo vyšší, takže nejlepším přístupem je přesunout ohřívač mimo zóny s vysokou rychlostí. Lokálně se rychlost sníží na<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

Závěr 1,5 mm stěna je dostatečná pro typické podmínky (v Menší nebo rovno 2,0 m/s)
Minimální tloušťka stěny požadovaná pro odolání kavitaci z nedalekého čerpadla pro titanový plášťový ohřívač trvale ponořený v tekoucí říční vodě o teplotě 25 stupňů s celkovým obsahem rozpuštěných pevných látek 300 ppm a pH 7,2 je funkcí místní rychlosti proudění. S typickou rychlostí 1,5-2,0 m/s (mimo přímý vstup do čerpadla) má 1,2-1,5 mm silná stěna z titanu Grade 2 životnost 10 let. Pokud jsou rychlosti vyšší než 2,5 m/s, je nutná tloušťka stěny větší než 3 mm (nepraktické pro trubky ohřívače) a ohřívač by měl být přemístěn nebo zastíněn přepážkou nebo povlakem. Ohřívače nasávání říční vody by měly být specifikovány s titanovým pláštěm třídy 2, tloušťkou stěny 1,5 mm, nejméně 1 m od jakéhokoli vstupu nebo výstupu čerpadla a namontované s přepážkou usměrňující proud, pokud je to možné. Výrobce vypočítá kavitační číslo a rychlost eroze. Uveďte předpokládanou rychlost proudění v místě ohřívače (m/s) a charakteristiku čerpadla. Prevence kavitace (snížení rychlosti) je mnohem lepší než zvýšení tloušťky stěny.