Koks didžiausias leistinas sienelės storis, kad būtų išlaikytas 20 kW/m² šilumos perdavimas, titano panardinamojo šildytuvo, veikiančio chromo rūgšties anodavimo vonioje (50 g/l CrO₃, 55 laipsniai)?

Pagrindiniai titano šildytuvų, skirtų anoduoti chromo rūgštimi, dizaino{0}}procentai
Anodavimas chromo rūgštimi yra elektrocheminis metodas, naudojamas aliuminio aviacijos ir kosmoso komponentų apsauginėms oksidinėms dangoms gaminti. Vonioje paprastai yra 50 g/l chromo trioksido (CrO₃) 55 laipsnių temperatūroje, o titano panardinamasis šildytuvas naudojamas temperatūrai palaikyti anodavimo ciklo metu. Chromo rūgštis yra galingas oksidantas ir lengvai pasyvina titaną, o tai suteikia gerą atsparumą korozijai. Tačiau vonia yra jautri temperatūros pokyčiams, o šildytuvas turi užtikrinti apie 20 kW/m2 (2,0 W/cm2) šilumos srautą, kad išlaikytų proceso sąlygas. Pagrindinis konstrukcijos apribojimas yra ne korozija, o šilumos perdavimo efektyvumas. Chromo rūgštis turi daug mažesnį laidumą ir daug didesnį klampumą, palyginti su vandeniu, todėl ant šildytuvo paviršiaus susidaro storas ribinis sluoksnis. Titano apvalkalo sienelės storis prisideda prie šio ribinio sluoksnio elektrinio pasipriešinimo. Didėjant sienelės storiui, sumažėja bendras šilumos perdavimo koeficientas ir reikalinga aukštesnė kaitinimo elemento temperatūra (sumažėja elektros efektyvumas ir MgO izoliacijos tarnavimo laikas) arba didesnis šildytuvo paviršiaus plotas (didėja sąnaudos ir bako dydis). Šioje analizėje nustatytas didžiausias leistinas Ti sienelės storis, kad būtų išlaikytas 20 kW/m2 šilumos srautas, neviršijant MgO izoliuotų šildytuvų vidinės laido temperatūros 400C ir nesukeliant lokalaus virimo ar chromo rūgšties skilimo apvalkalo paviršiuje.

Poveikis mechaniniam vientisumui: chromo rūgšties korozijos svarstymai
2 klasės titanas yra atsparus chromo rūgščiai esant bet kokiai koncentracijai ir temperatūrai iki virimo. Cr(VI) oksidacinė galia sukuria stabilią, storą pasyvią dangą (TiO2, praturtintas chromo rūšimis), kurios korozijos greitis < 0,005 mm/metus. Lokalaus priepuolio nesukelia chromo rūgštis, kaip tai daroma naudojant vonias, kuriose yra chlorido, kai susirūpinimą kelia duobės. Mažiausias sienelės storis mechaniniam vientisumui (valdymo, slėgio ir montavimo įtempiams) yra 0,8 mm vamzdžiams iki 25 mm skersmens. Sienų storinimas nepadeda nuo korozijos, nes pasyvus sluoksnis jau yra stabilus ir vienalytis. Taigi storesnės sienos naudojimas yra tik kompromisas tarp mechaninio stiprumo (pvz., atsparumo atsitiktiniams aliuminio ruošinių smūgiams) ir šiluminių savybių. Chromo rūgšties anodavimo voniose didelių sienų korpusas nėra gerai pagamintas mechaniniu požiūriu, jei į rezervuarą patenkama kontroliuojama ir atsargiai elgiamasi su ruošiniu. Didelio našumo linijoms, kuriose šildytuvai gali atsitrenkti į stelažus arba dalis, vidutinio storio sienelės (1,2–1,5 mm) užtikrina atsparumą smūgiams be didelių šiluminių nuostolių.

Poveikis šiluminiam našumui, laidumo varža ir šilumos srauto riba
Titano panardinamojo šildytuvo, kurio galios tankis yra 20 kW/m^2 (2,0 W/cm^2) ir chromo rūgšties vonioje 55 laipsniai, bendras temperatūrų skirtumas nuo vidinės varžos laido iki tūrinės vonios yra keturių varžų suma: (1) vidinė viela -į-MgO laidi sąsaja, MgO laidi sąsaja, (2) sienelė ir (4) konvekcinė į chromo rūgštį. MgO izoliacija apriboja laido temperatūrą iki 400 laipsnių, kad būtų galima ilgai tarnauti. Elektrinė varža per titano sienelę yra ΔT_Ti=q × t / k_Ti , kai k_Ti ≈ 17 W/m·K esant 55 laipsnių kampui. 1,0 mm sienai ΔT_Ti=(20 000 W/m² × 0,001 m) / 17 W/m·K=1.18 laipsnis. ΔT_Ti=2.35 laipsnis 2,0 mm storio sienai. Konvekcinė varža į chromo rūgšties vonią yra žymiai didesnė, ΔT_conv=q/h, kur h yra konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas. Įprastai anodavimo voniai su saikingu maišymu (0,3–0,5 m/s srautas pro šildytuvą), h ≈ 400–600 W/m2K. Jei h=500 W/m2K, ΔTconv=20,000 / 500=40 laipsnis . Bendras temperatūros sumažėjimas nuo titano išorinio paviršiaus iki tūrinės vonios yra 40 laipsnių, tačiau kritimas per titano sienelę yra tik 1,2–2,4 laipsnio. Todėl titano sienelės šiluminė varža yra maždaug 3-6 % visos šiluminės varžos. Dominuojantys mechanizmai yra konvekcinis ribinis sluoksnis ir MgO izoliacija. Padidinus sienelės storį nuo 1,0 mm iki 2,0 mm, reikiama laido temperatūra padidėja maždaug 1,2 laipsnio – tai nereikšmingas pokytis. Tačiau šioje analizėje daroma prielaida, kad išorinio paviršiaus temperatūra yra mažesnė už chromo rūgšties vonios virimo temperatūrą (šios kompozicijos atmosferos slėgyje apie 105 laipsnius). H=500 paviršiaus temperatūra yra T_surface=T_bulk + ΔT_conv=55 laipsnis + 40 laipsnis=95 laipsnis. Tai yra daug žemesnė už virimo temperatūrą, todėl garai nesusidaro. T_paviršius pakyla iki 96,2 laipsnio net su 2,0 mm sieniniu seifu. Taigi, gryno šilumos perdavimo požiūriu, sienelės storis neturi įtakos našumui esant 20 kW/m².

Kompetencijos-sintezė: didžiausias leistinas sienos storis
Toliau pateiktoje matricoje pateikiamas maksimalus leistinas titano sienelės storis chromo rūgšties anodavimo voniai (50 g/L CrO3, 55 laipsniai) esant 20 kW/m2 šilumos srautui, kad išorinio paviršiaus temperatūra būtų žemesnė nei 100 laipsnių (kad būtų išvengta lokalaus virimo ir chromo rūgšties skilimo), o vidinės laido izoliacijos temperatūra (iki 40 MgO laipsnių).

Sienelės storis (mm) Maišymo lygis (h, W/m2K) Išorinio paviršiaus temperatūra (C) Vidinė laido temperatūra (C) Didžiausia leistina?Suvaržymo faktorius
0,8 mm Prastas (h=300) 55 + 66.7=121.7 laipsnis 121.7 + (0,8*20/17)=122.6 laipsnis Nėra Paviršiaus virimo (virš 100 laipsnių)
0,8 mm Vidutinis (h=500) 55 + 40=95 laipsnis 95 + 0.94=95.9 laipsnis Taip Nėra – neperžengia apribojimų
0,8 mm Geras (h=800) 55 + 25=80 laipsnis 80 + 0.94=80.9 laipsnis Taip Puiki paraštė
1,5 mm Vidutinis (h=500) 95 laipsniai 95 + (1,5 × 20/17)=96.8 laipsnis Taip Priimtinas
2,0 mm Vidutinis (h=500) 95 laipsniai 95 + (2,0 × 20/17)=97.4 laipsnis Taip Priimtinas
2,5 mm Vidutinis (h=500) 95 laipsniai 95 + (2,5×20/17)=97.9 laipsnis Taip Priimtinas, bet neprivalomas
3,0 mm Prastas (h=300) 121,7 laipsnis 121.7 + (3,0 × 20/17)=125.2 laipsnis Ne Paviršius verda, viela viršija temperatūrą
Duomenys rodo, kad gerai -maišomos vonios (h > 500 W/m²·K) sienelių storis iki 2,5 mm yra termiškai toleruojamas, nes dominuoja konvekcinė varža. Net ir blogai maišomose voniose (h=300) 0,8 mm sienelės sukelia paviršių virimą, nes 66,7 laipsnio konvekcinė ΔT pakelia paviršių iki 121,7 laipsnio. Tokiomis aplinkybėmis priemonė yra ne pakeisti sienelės storį, o sustiprinti maišymą arba sumažinti šilumos srautą. Termiškai didžiausias leistinas sienelės storis iš esmės yra neribotas, užtikrinant tinkamą maišymą; tačiau praktiniai gamybos apribojimai (vamzdžių lenkimas, suvirinimas ir kaina) daugumos šildytuvų konstrukcijų storį riboja iki 2,0–2,5 mm.

Inžinerija už sienos: geresnis maišymas ir mažesnis šilumos srautas
Kadangi konvekcinis ribinis sluoksnis yra pagrindinė šiluminė varža chromo rūgšties anodavimo voniose, geriausia strategija palaikyti 20 kW/m2 šilumos perdavimą esant bet kokiam sienelės storiui – skatinti pakankamą vonios maišymą. Kad recirkuliacinis siurblys priverstų srautą virš šildytuvo paviršiaus 0,5–1,0 m/s greičiu, h galima padidinti iki 600–800 W/m2K, ΔTconv sumažinti iki 25–33 laipsnių, o išorinis paviršius išliks žemiau 90 laipsnių net esant 2,0 mm sienelės storiui. Jei maišymo pagerinti neįmanoma, galima sumažinti reikiamą šilumos srautą. Daugelis anodavimo linijų veikia 15 kW/m$^2$ (1,5 W/cm$^2$) su ilgesniu įkaitimo-laiku, todėl $\\Delta T_{conv}$ sumažėja iki 30$^{\\circ}$C esant $h$=500, o sienos yra storesnės ir paviršius nevirsta. Tarp šilumos srauto ir reikalingo sienelės storio yra atvirkštinis ryšys. Pavyzdžiui, norint panaudoti 2,5 mm sieną su prastu maišymu (h=300), šilumos srautą reikia sumažinti iki maždaug 12 kW/m², kad išorinis paviršius būtų žemesnis nei 100 laipsnių . Literatūros h reikšmės chromo rūgštyje labai priklauso nuo bako konstrukcijos ir ruošinio apkrovos, todėl proceso inžinieriai turėtų patikrinti tikrąjį šilumos perdavimo koeficientą su termoporomis ant šildytuvo paviršiaus paleidimo metu.

Išvada: sienos storis retai ribojamas – maišymas ir šilumos srautas yra tikrosios ribos
Titano panardinamajam šildytuvui chromo rūgšties anodavimo vonioje (50 g/l CrO₃, 55 laipsniai), kai šilumos srautas yra 20 kW/m², didžiausias leistinas sienelės storis šiluminiu požiūriu yra beveik neribotas, kai vonia pakankamai maišoma (h Didesnis arba lygus 500 W/m²). Sienoms, kurių storis siekia 2,0 mm, titano sienelės elektrinė varža yra mažesnė nei 2,5 laipsnio. C iki bendro temperatūros sumažėjimo. Pagrindinė šiluminė varža yra konvekcinis ribinis sluoksnis, kuris priklauso nuo vonios maišymo, o ne nuo sienelės storio. Nepakankamai maišant vonias (h=300 W/m²·K) paviršiui užvirti pakanka net 0,8 mm sienelės, nes 66,7 laipsnio konvekcinė ΔT yra didesnė už virimo taško ribą. Tokiais atvejais reikia ne plonesnės sienelės nurodyti, o pagerinti maišymą arba apriboti šilumos srautą. Daugumos anodavimo linijų, kurių maišymas yra vidutinis, 1,2–1,5 mm storio titano sienelės yra geras mechaninio tvirtumo (atsparumo netyčiniam aliuminio dalių smūgiui) ir šiluminių savybių kompromisas. Naudojant storesnes nei 2,0 mm sienas šilumos pranašumai neįgyjami, be reikalo padidėja medžiagų kaina ir svoris. Svarbūs chromo rūgšties anodavimo šildytuvų apibrėžimo kriterijai yra ne sienelės storis, o reikalingas šilumos srautas (kW/m²) ir numatomas srauto greitis pro šildytuvą (m/s). Pateikite šiuos skaičius gamintojui, kad patvirtintumėte konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą. Numatykite 1,2–1,5 mm sienelės storį kaip ekonomišką numatytąjį standartą, atitinkantį mechaninius ir šiluminius standartus.