Koks yra didžiausias leistinas šilumos srautas 7 klasės titano apvalkalu šildytuvui, panardintam į 15 % sieros rūgštį 90 laipsnių kampu, kad būtų išvengta vietinio virimo{3}}sukeltos korozijos?

Aukšta temperatūra sieros rūgšties veikimo metu yra sunki aplinka titano šildymo įrangai. 7 klasės titanas (Ti-0,15Pd) turi gerą atsparumą korozijai 15 % H2SO4 esant 90 °C įprastomis panardinimo sąlygomis, tačiau vietinė chemija labai pakeičiama dėl karšto paviršiaus. Titano apvalkalo paviršiuje sieros rūgšties tirpalo vietinis virimas vyksta metalo{12}}skysčio sąsajoje, kai šilumos srautas pasiekia kritinę vertę. Virinant rūgštis susikaupia šalia šildomo paviršiaus, o vietinė temperatūra pakyla virš 90 laipsnių, o korozijos elgsena gali pasikeisti iš pasyvios į aktyvią. Rezultatas yra pagreitintas puolimas, matomas kaip korozijos žiedas garų{17}}skysčio sąsajoje arba duobė iš karto po prilipusiais garų burbuliukais. Šiame straipsnyje nustatomas didžiausias leistinas šilumos srautas 7 klasės titano apvalkalo šildytuvams 15% sieros rūgštyje 90 laipsnių temperatūroje, kad būtų išvengta šio virimo sukeliamo korozijos mechanizmo.

Virimo sukeliamas korozijos procesas
Sieros rūgštis yra ne{0}}azeotropinis tirpalas, kurio virimo temperatūra priklauso nuo jo koncentracijos. 15% H₂SO₂ esant atmosferos slėgiui tūrinė virimo temperatūra yra apie 103 laipsnius. Kai šildytuvo apvalkalo paviršiaus temperatūra viršija vietinę virimo temperatūrą, garų burbuliukai susidaro ties paviršiaus trūkumais. Dėl burbulo susidarymo skysčio plėvelė tarp jo ir karšto paviršiaus išgaruoja, tame ploname sluoksnyje koncentruojasi sieros rūgštis. Koncentracija gali padidėti nuo 15% iki 30-50% per milisekundes nuo burbulo branduolio susidarymo, o vietinė temperatūra metalo paviršiuje po burbulu pasiekia sienos perkaitimo temperatūrą, paprastai 5-20 °C virš tūrinės virimo temperatūros.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 mm per metus. Virimo -sukeltas koncentracijos sluoksnis lokaliai sukuria agresyvias sąlygas, todėl greitai prarandamas metalas burbuliukų branduolio susidarymo vietose.

Šilumos srauto slenksčio nustatymas
Kritinis šilumos srautas (CHF) verdant 15% sieros rūgšties branduolį 90 laipsnių temperatūroje yra sąlyga, kai garų burbuliukai susidaro pakankamai intensyviai, kad išlaikytų koncentruotą rūgšties sluoksnį. Esant CHF, burbuliukai atsiranda periodiškai ir greitai išsiskiria, todėl koncentruota danga gali patekti į masę prieš prasidedant rimtai korozijai. Virš CHF burbuliukų tankis didėja, susilieja ir gali susidaryti ištisinė garų plėvelė (perėjimas prie plėvelės virimo). Šie poveikiai pagreitina koncentraciją ir koroziją.

Eksperimentiniai tyrimai su 7 laipsnio titano bandymo zondu, panardintu į 15% H2SO4 90 laipsnių kampu, atskleidžia staigų korozijos greičio padidėjimą, kai šilumos srautas viršija 35 kW/m2. Korozijos greitis esant 25 kW/m2 yra mažesnis nei 0,05 mm/metus. Esant 35 kW/m2 sparta pakyla iki 0,10 mm/metus, vis dar priimtina daugeliui pritaikymų. Esant 45 kW/m2, rodiklis pakyla iki 0,35 mm/metus. Greitis viršija 0,8 mm per metus esant 55 kW/m², o garų{21}}skysčio sąsajoje atsiranda matoma žiedinė korozija. Greitas vietinis ataka per 1000 valandų perforuoja 1,65 mm sieną esant 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 m.) darbingumas yra 40 kW/m². Įrenginiams, kurių eksploatavimo laikas yra 2-3 metai, leidžiama 50 kW/m2. Jei vertė viršija 60 kW/m², 7 klasės titanas netinka, nepaisant sienelės storio.

Lengvinantys veiksniai ir taikymo matrica
Darbo sąlygos ir šildytuvo sąranka Didžiausias leistinas šilumos srautas (kW/m2) Numatomas korozijos mechanizmas Rekomenduojamas sienelės storis
Vertikali orientacija, visiškai panardintas, gera natūrali konvekcija 40 kW/m² (nepertraukiama) Vienoda pasyvi korozija<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Visiškai panardintas, horizontalus išlygiavimas, gera konvekcija 35 kW/m² Žema virimo koncentracija viršutiniame paviršiuje 1,65 mm
Iš dalies panardintas (yra garų-skysčio sąsaja) 25 kW/m2 Menisko žiedo korozija 2,0 mm arba išvengti dalinio panardinimo
Maišomas bakas (mechaninis arba oro purškimas) 50 kW/m² Maišant suskaidomi burbuliukai, koncentracija sumažėja 1,2-1,5 mm
Maža cirkuliacija, užsistovėjęs bakas 30 kW/m2 Burbulo ilgaamžiškumas padidina ataką 1,65 mm
Bet kokia paslauga, kai paviršius yra užterštas / apnašas 25 kW/m2 Užteršimas padidina vietinę paviršiaus temperatūrą 2,0 mm. Praktinės projektavimo rekomendacijos
Didžiausias leistinas šilumos srautas nuolatiniam darbui be virimo korozijos 7 laipsnio titano apvalkalo šildytuvui, panardintam į 15 % sieros rūgštį 90 laipsnių temperatūroje, yra 40 kW/m^2. Dėl šio šilumos srauto paviršiaus temperatūra yra maždaug 8–10 laipsnių aukštesnė už birių skysčių temperatūrą, todėl metalinis paviršius išlaikomas žemiau 100 laipsnių ir ribojama garų burbuliukų susidarymo jėga. Inžinieriai turėtų padidinti šildomo paviršiaus plotą, o ne vatų tankį, kad pasiektų pageidaujamą šildymo greitį pagal šį apribojimą. Ta pati bendra galia gali būti tiekiama esant mažesniam šilumos srautui, naudojant ilgesnį šildytuvą arba daug mažesnio skersmens vamzdžių kartu. Užsakydami šildytuvą teiraukitės apskaičiuoto apvalkalo šilumos srauto (bendros galios, padalytos iš panardinto apvalkalo paviršiaus ploto) ir įsitikinkite, kad jis yra ne didesnis kaip 40 kW/m2. Sistemose su bloga cirkuliacija arba kai neišvengiamas dalinis panardinimas, sumažinkite leistiną srautą iki 25-30 kW/m2 arba pasirinkite alternatyvų šildymo būdą, pvz., garų purškimą.