Koks yra optimalus titano vamzdžio matuoklis, skirtas jūros vandeniu{0}}aušinamiems šilumokaičiams, kad būtų išvengta duobių susidarymo, išlaikant šilumos srautą, viršijantį 50 kW/m²?

Elektrinių, cheminio apdorojimo ir jūrinių ŠVOK sistemų šilumokaičių aušinimas pasiekiamas naudojant jūros vandenį, o kaitinimo elementai susiduria su dviem vienu metu kylančiais iššūkiais: labai korozinis chloruoto jūros vandens pobūdis ir gebėjimas efektyviai perduoti šiluminę energiją didesne nei 50 kW/m2 sparta. Ne-brangieji metalai negali prilygti titano vamzdžių atsparumui korozijai ir šilumos laidumui, bet sienelės storis -paprastai nuo 0,5 mm iki 2,0 mm šilumokaičio aptarnavimui-atitinka esminį techninį kompromisą-. Storesnis matuoklis padidins atsparumą duobių ir plyšių korozijai dėl chloridų, tačiau padidins šiluminę varžą, dėl kurios sistema negalės gauti reikiamo šilumos srauto. Šiame straipsnyje pateikiami kiekybiniai ryšiai tarp titano vamzdžio sienelės storio, duobių sklidimo trukmės ir šilumos perdavimo koeficiento, leidžiantys inžinieriams pasirinkti tinkamą matuoklį jūros vandeniui, kai srauto greitis yra 1-3 m/s, o temperatūra 60-80°C.

Sienelės storis ir atsparumas įdubimams
Aeruotame jūros vandenyje (chlorido kiekis 19 000 ppm, pH 8,1) titanas priklauso nuo pasyvios TiO2 dangos, kuri yra stabili dėl aukšto chlorido slenksčio įdubimui, paprastai virš 0,5 V, palyginti su SCE. Tačiau vietinės sąlygos, tokios kaip sustingusios zonos po nuosėdomis, mažas srauto greitis arba aukšta temperatūra (virš 70 laipsnių), gali pakeisti duobių potencialą į mažesnes vertes. Kai prasideda duobė, sklidimo greitis titane yra mažėjanti laiko funkcija dėl difuzijos kontrolės. Eksperimentiniai laiko iki pirmojo komerciškai gryno titano 2 laipsnio vamzdžio, kurio sienelės storis 0,7 mm, 60 laipsnių kampu ir 1 m/s srauto greičiu, perforacijos matavimai ilgalaikiuose jūros vandens poveikio bandymuose (ASTM G48 D metodas) rodo apie 8000 valandų. Padidinus sienelės storį iki 1,2 mm, perforacijos laikas yra daugiau nei 25 000 valandų, o 1,65 mm matuoklis – tomis pačiomis sąlygomis numatomas daugiau nei 50 000 valandų tarnavimo laikas.

Šis ryšys nėra tiksliai tiesinis, nes duobių atsiradimo greitis mažėja didėjant duobės gyliui. Duobės gylio ir laiko sandauga atitinka maždaug parabolinį dėsnį. Tačiau jūros vandens šilumokaičių projektavimo gairėse (pvz., TEMA standartai su jūros vandens korozijos leidimais) rekomenduojamas minimalus sienelių storis 0,9 mm švariame ir tekančiame jūros vandenyje, kurio greitis viršija 1,5 m/s, o susikaupus nuolaužoms arba nutrūkus srautui, jis gali padidėti iki 1,2 mm. Šildytuvų, kurių paviršiaus temperatūra aukštesnė nei 80 laipsnių, o tai įprasta esant didesniems nei 50 kW/m2 šilumos srautams, titano paviršius tampa elektrochemiškai aktyvesnis, o sienelės storis turi būti bent 1,2 mm, kad būtų išvengta duobių susidarymo per penkerius metus.

Didelio šilumos srauto šiluminis našumas
Šilumos perdavimo per titano vamzdžio sienelę greitis gali būti apskaičiuotas naudojant vienmatę radialinio laidumo lygtį: Q=2π k L ΔT / ln(r_o/r_i), kur Q yra šilumos perdavimo greitis (W), k yra šilumos laidumas (16 W/m·K laipsnio šilumos), L ΔT yra skirtumas tarp 2 laipsnio šilumos ir titano ilgio. išorinių sienų paviršių, o ro/ri – išorinio spindulio ir vidinio spindulio santykis. Taigi, esant tam tikram šilumos srauto tikslui (tarkime, 50 kW/m^2 išorinio paviršiaus), temperatūros sumažėjimas visoje sienoje turi būti didesnis, nes žurnalo terminas didėja didėjant sienelės storiui.

Tarkime, normalus šildymo vamzdis, kurio išorinis skersmuo yra 19 mm. Sienelės storis 0,9 mm (ro=9.5 mm, ri=8.6 mm) ln(ro/ri)=ln(9,5/8,6)=0.099. Temperatūros skirtumas titano sienelėje, kad šilumos srautas būtų 50 kW/m$^2$, yra $\\Delta T {{11}0} (5 laikas) \\ln(r_o/r_i) \\times r_o) / (k)$ tinkamais vienetais. q=šilumos srautas=50,000 W/m2 Apskaičiuokite: cilindrui q=k ΔT / (ro ln(ro/ri)). Pertvarkius gaunamas ΔT=qr_o ln(r_o/r_i)/k=(50 000 * 0,0095 * 0,099)/16 ~ 2,94 K, kai sienelės storis 1,65 mm (ri=7.85 mm, ln(9,5/7,85)=ln(1,210)=0.191) ΔT=(50 000 x 0,0095 x 0,191)/16 ≈ 5,67 K. Storesnė sienelė padidina temperatūros nuobaudą beveik du kartus per pačią vamzdžio sienelę.

Bauda turi dvi praktines pasekmes. Pirma, vidinis kaitinimo elementas (elektros varžos laidas arba garo pusė) turi būti aukštesnės temperatūros, kad jūros vandeniui būtų suteiktas toks pat šilumos srautas. Tai gali turėti įtakos elektrinių šildytuvų tarnavimo laikui arba reikalauti didesnio garo slėgio. Antra, dėl aukštesnės išorinio paviršiaus temperatūros gali padidėti biologinis užsiteršimas arba nuosėdų susidarymas jūros vandenyje -kalcio karbonato nuosėdų susidarymo greitis padvigubėja kas 10 K padidinus išorinio paviršiaus temperatūrą. Pakrantės elektrinių lauko duomenys rodo, kad titano šildytuvai su 1,65 mm sienelėmis, kurių galia yra 55 kW/m², matomai sumažėjo per šešis mėnesius, o identiški šildytuvai su 1,0 mm sienelėmis išliko švarūs aštuoniolika mėnesių, esant identiškam vandens chemijai.

Šilumokaičių projektavimas: atrankos lentelė pagal scenarijų
Žemiau esančioje lentelėje pateikiami korozijos ir šiluminiai vertinimai, kad būtų pateikti praktiniai pasiūlymai, atsižvelgiant į jūros vandens srauto parametrus, darbinę temperatūrą ir reikalingą šilumos srautą. Geriausias matuoklis yra kompromisas tarp ankstyvo duobių atsiradimo rizikos ir poreikio išlaikyti šilumos srautą virš 50 kW/m² be pernelyg didelio paviršiaus mastelio.

Eksploatavimo sąlygos Jūros vandens sąlygosRekomenduojamas sienelės storis (mm) Loginis pagrindas ir pagrindinės{0}}nuolaidos
High velocity once through cooling (≥2 m/s, 15–30°C)Clean, ventilated, low fouling 0.7 – 0.9 mmHigh flow inhibits pit start; thin wall allows heat flux >60 kW/m² su maža ΔT bauda; Pasiekiamas 10 metų gyvenimas.
Nuolaužos 1-2 m/s 40-60 C Recirkuliacinis aušinimasVidutinis chloridas, retkarčiais sustingusios zonos 1,0 – 1,2 mm Subalansuoti atsparumą duobėms nuo nuosėdų su terminiu efektyvumu; išlaikyti 50 kW/m², ΔT<5 K
Aukštos temperatūros sūrymo šildytuvas (60-80 laipsnių, 0,5-1 m/s) Deaeruotas, bet didelis chloridų kiekis, rizika susikaupti nuosėdoms 1.2 - 1.5 mm Atsparumas korozijai lemia pasirinkimą. Priimkite 15-20% sumažintą šilumos srautą arba atitinkamai padidinkite šildymo terpės temperatūrą.
Aptarnavimas, nenutrūkstamo srauto arba potvynių zona (0-1 m/sek., aplinkos temperatūra iki 50 laipsnių) Sustingęs jūros vanduo, biologinio užteršimo potencialas 1,5–2,0 mm Sunkusis matuoklis leidžia išvengti korozijos ilgų prastovų metu. Projektinis šilumos srautas turi būti sumažintas iki 4045 kW/m2, kad būtų išvengta perkaitimo.
Plokštelės ir rėmo keitiklis turbulentiniam srautui (Re > 10 000) Gerai išvalytas švarus jūros vanduo 0,5 – 0,7 mm (plonasienis suvirintas vamzdis) Turbulencija skatina šilumos perdavimą, plona sienelė sumažina medžiagų sąnaudas ir šiluminę varžą, tinka tais atvejais, kai vandens valymas sumažina duobių susidarymą.
Projektavimo parametrai papildo vienas kitą
Sienelės storis negali būti optimizuotas neatsižvelgiant į kitus dizaino elementus. Atsparumas įdubimams labai priklauso nuo titano lydinio klasės: 7 laipsnio (Ti-0,15Pd) įdubimų potencialas padidėja maždaug 300 mV, todėl 0,9 mm 7 laipsnio vamzdis turi tokį patį atsparumą įbrėžimams kaip ir 1,5 mm 2 laipsnio vamzdis šiltame jūros vandenyje. Šilumokaičiams, kurių šilumos srautas didesnis nei 70 kW/m2, korozijai tinkamo sienelės storio šiluminė žala gali būti kompensuojama naudojant vidines briaunas arba patobulintus vidinius paviršius. Pats ekonomiškiausias{14}}duobėjimo slopiklis yra srauto greitis – išlaikant jūros vandens greitį virš 1,5 m/s, pašalinama dauguma nepakankamo nuosėdų atsiradimo mechanizmų ir galima naudoti plonesnius matuoklius net ir šiltomis sąlygomis. Taip pat svarbu tinkamai patikrinti, ar nėra moliuskų ir detrito.

Jūros vandens šildytuvų techninis aprašymas
Dėl jūros vandeniu aušinamo šilumokaičio, kurio tikslinis šilumos srautas yra 50 kW/m2, inžinieriai, nurodantys titano šildymo vamzdžius, turėtų paprašyti tiekėjų: konkrečios titano klasės duobių potencialo matavimų (ASTM G5) ir sienelės storio sintetiniame jūros vandenyje esant maksimaliai darbo temperatūrai; apskaičiuota šiluminė varža esant projektiniam srautui; ir istoriniai duomenys iš panašių paslaugų sąlygų. Vieną kartą naudojant sistemas, kuriose srauto greitis yra didelis ir vandens temperatūra žemesnė nei 50 laipsnių, tinka plonesnė sienelė (0,9–1,0 mm), kai pagrindinis rūpestis yra energijos vartojimo efektyvumas ir greita reakcija. Recirkuliacinėms jūros vandens sistemoms, kuriose yra stacionarių periodų, aukštesnė nei 60 laipsnių temperatūra arba kai techninės priežiūros grafikai reikalauja 10 metų keitimo intervalo, rekomenduojama storesnė sienelė (1,2–1,5 mm). Reikalingas šilumos srautas ir jūros vandens cheminis profilis (chloringumas, temperatūra, srauto režimas, biologinio užsiteršimo potencialas) yra apibrėžti taip, kad optimalus titano vamzdžio matuoklis nebėra spėjimas, o kiekybinis sprendimas, kuris maksimaliai padidina šilumos perdavimą per vieneto kainą.