Fyrir títaníumdýfuhitara sem starfar í krómsýru rafskautsbaði (50 g/L CrO₃, 55 gráður), hver er hámarks leyfileg veggþykkt til að viðhalda hitaflutningi við 20 kW/m²?

Grunnviðskipti-við hönnun títanhitara fyrir krómsýru anodizing
Anodizing krómsýru er rafefnafræðileg aðferð sem notuð er til framleiðslu á hlífðaroxíðhúðun á loftrýmisíhlutum úr áli. Baðið inniheldur venjulega 50 g/L af krómtríoxíði (CrO₃) við 55 gráður og títaníumdýfihitari er notaður til að viðhalda hitastigi meðan á rafskautsferlinu stendur. Krómsýra er öflugt oxunarefni og virkjar títan auðveldlega, sem gefur góða tæringarþol. Baðið er þó viðkvæmt fyrir hitabreytingum og hitarinn verður að veita um 20 kW/m2 (2,0 W/cm2) hitaflæði til að viðhalda ferlisskilyrðum. Lykilhönnunartakmörkunin er ekki tæring heldur skilvirkni hitaflutnings. Krómsýra hefur mun minni leiðni og mun meiri seigju samanborið við vatn og myndar þykkt jaðarlag á yfirborði hitarisins. Þykkt títanhúðarveggsins stuðlar að röð rafviðnáms í þetta jaðarlag. Aukin veggþykkt dregur úr heildarvarmaflutningsstuðlinum og krefst annað hvort hærra hitastigs hitaeiningarinnar (dregur úr rafnýtni og MgO einangrunarlífi) eða meira yfirborðs hitara (hækkandi kostnaður og tankstærð). Í þessari greiningu er hámarks leyfð Ti veggþykkt ákvörðuð til að viðhalda hitaflæði upp á 20 kW/m2 án þess að fara yfir 400C innri vírhitastig sem krafist er fyrir MgO einangruð hitara, og án þess að framkalla staðbundna suðu eða niðurbrot krómsýru á yfirborði slíðunnar.

Áhrif á vélrænni heilleika: Krómsýrutæringarsjónarmið
Títan gráðu 2 þolir krómsýru í öllum styrkjum og hitastigi að suðu. Oxandi kraftur Cr(VI) framkallar stöðuga, þykka óvirka húðun (TiO2 auðgað í krómtegundum) með tæringarhraða < 0,005 mm/ári. Staðbundin árás er ekki framkölluð af krómsýru eins og það er með klóríð sem innihalda böð þegar hola er áhyggjuefni. Lágmarksveggþykkt fyrir vélrænni heilleika (meðhöndlun, þrýstingur og festingarálag) er 0,8 mm fyrir rör allt að 25 mm í þvermál. Að gera veggina þykkari hjálpar ekki við tæringu vegna þess að óvirka lagið er þegar stöðugt og einsleitt. Þess vegna er notkun þykkari veggs aðeins málamiðlun á milli vélræns styrks (td viðnám gegn slysaáhrifum frá álvinnuhlutum) og hitauppstreymi. Í krómsýru rafskautsböðum er málið fyrir stóra veggi ekki vel gert, vélrænt séð, ef stjórnað er inn í tankinn og meðhöndlun vinnustykkisins er varkár. Fyrir línur með mikla afköst þar sem ofnar geta orðið fyrir rekki eða hlutum, býður miðlungs veggþykkt (1,2-1,5 mm) höggþol án alvarlegra hitauppstreymis.

Áhrif á hitaafköst leiðandi viðnám og hitaflæðismörk
Fyrir títaníum hitara með aflþéttleika 20 kW/m^2 (2,0 W/cm^2) í krómsýrubað 55 gráður, er heildarhitamunur frá innri viðnámsvír til magnbaðs summan af fjórum viðnámum: (1) innri vír-til-MgO leiðandi í gegnum, (MgO) tengi í gegnum, (3) MgO títan vegg, og (4) convective inn í krómsýruna. MgO einangrunin takmarkar hitastig vírsins við 400 gráður til að langa líftíma. Rafviðnám yfir títanvegginn er ΔT_Ti=q × t / k_Ti , með k_Ti ≈ 17 W/m·K við 55 gráður. Fyrir 1,0 mm vegg, ΔT_Ti=(20.000 W/m² × 0,001 m) / 17 W/m·K=1.18 gráður. ΔT_Ti=2.35 gráðu fyrir 2,0 mm þykkan vegg. Convection viðnám inn í krómsýrubaðið er töluvert meira, ΔT_conv=q/h, þar sem h er varmaflutningsstuðullinn. Fyrir dæmigerð rafskautsbað með hóflegri hræringu (0,3 til 0,5 m/s flæði framhjá hitaranum), h ≈ 400 til 600 W/m2K. Fyrir h=500 W/m2K, ΔTconv=20,000 / 500=40 gráður. Heildarlækkun hitastigs frá ytra yfirborði títan til magnbaðsins er 40 gráður, en fallið í gegnum títanvegginn er aðeins 1,2–2,4 gráður. Þess vegna er hitauppstreymi títanveggsins um það bil 3-6% af heildar hitauppstreymi. Ráðandi aðferðirnar eru leiðslumarkalagið og MgO einangrunin. Með því að auka veggþykktina úr 1,0 mm í 2,0 mm hækkar nauðsynlegur vírhitastig um bara eitthvað eins og 1,2 gráður - óveruleg breyting. Þessi greining gerir þó ráð fyrir að ytra yfirborðshiti sé minna en suðumark krómsýrubaðsins (um 105 gráður við loftþrýsting fyrir þessa samsetningu). Fyrir h=500 er yfirborðshiti T_yfirborðs=T_bulk + ΔT_conv=55 gráður + 40 gráður=95 gráður. Þetta er miklu undir suðumarki, þannig að engin gufuteppi á sér stað. T_surface hækkar í 96,2 gráður jafnvel með 2,0 mm vegg-enn öruggur. Þannig, frá sjónarhóli hreinnar varmaflutnings, hefur veggþykktin engin áhrif á afköst við 20 kW/m².

Skipta-af myndun: Hámarks leyfileg veggþykkt
Eftirfarandi fylki gefur leyfilega hámarksþykkt títanveggsins fyrir krómsýruanodizing bað (50 g/L CrO3, 55 gráður) við hitaflæði upp á 20 kW/m2, til að halda ytra yfirborðshitastigi undir 100 gráðum (til að forðast staðbundna suðu og niðurbrot krómsýru undir 400 g víra hitastigi) og innri vírhitastig í verndun MO gráður.

Veggþykkt (mm) Hræringarstig (klst, W/m2K) Ytra yfirborðshiti (C) Hitastig innra vír (C) Hámarks leyfilegt? Aðhaldsstuðull
0,8 mm Léleg (h=300) 55 + 66.7=121.7 gráðu 121.7 + (0,8*20/17)=122.6 gráðu Engin Yfirborðssuðu (yfir 100 gráður)
0,8 mm Miðlungs (h=500) 55 + 40=95 gráðu 95 + 0.94=95.9 gráðu Já Engin – innan marka
0,8 mm Gott (h=800) 55 + 25=80 gráður 80 + 0.94=80.9 gráður Já Frábær framlegð
1,5 mm Miðlungs (h=500) 95 gráður 95 + (1,5×20/17)=96.8 gráður Já ásættanlegt
2,0 mm Miðlungs (h=500) 95 gráður 95 + (2,0×20/17)=97.4 gráður Já ásættanlegt
2,5 mm Miðlungs (h=500) 95 gráður 95 + (2,5×20/17)=97.9 gráður Já Viðunandi, en ekki krafist
3,0 mm Léleg (h=300) 121,7 gráður 121.7 + (3,0×20/17)=125.2 gráður Engin Yfirborðssuðu, vír yfir hitastigi
Gögnin sýna að fyrir vel-hrært bað (h > 500 W/m²·K) er veggþykkt allt að að minnsta kosti 2,5 mm varmaþolin þar sem varmaviðnám ræður ríkjum. Jafnvel fyrir böð sem eru illa hrærð (h=300) leiða 0,8 mm veggir til yfirborðssuðu vegna þess að 66,7 gráður ΔT með hreyfanleika hækkar yfirborðið upp í 121,7 gráður. Við slíkar aðstæður er úrræðið ekki að breyta veggþykkt heldur auka hræringu eða lágmarka hitaflæði. Hitafræðilega er mesta leyfilega veggþykktin í rauninni ótakmörkuð, sem veitir viðeigandi hræringu; Hins vegar takmarka hagnýtar framleiðslutakmarkanir (rörbeygja, suðu og kostnaður) þykkt við 2,0–2,5 mm fyrir flestar hitarahönnun.

Verkfræði fyrir utan vegginn: Bætt hræring og minnkað hitaflæði
Þar sem varmaviðnám er helsta hitauppstreymi í krómsýruanodizing böð, er besta aðferðin til að viðhalda hitaflutningi við 20 kW/m2 fyrir hvaða veggþykkt sem er að stuðla að nægilegri hræringu í baði, þar sem varmamerkjalagið er helsta hitauppstreymi. Til þess að hringrásardæla þvingi flæðið yfir hitaflötinn með hraðanum 0,5–1,0 m/s má auka h í 600–800 W/m2K, ΔTconv minnka í 25–33 gráður og ytra yfirborðið helst undir 90 gráðum jafnvel með 2,0 mm veggþykkt. Ef ekki er hægt að bæta hræringuna er möguleiki á að minnka nauðsynlega hitaflæði. Margar rafskautslínur ganga á 15 kW/m$^2$ (1,5 W/cm$^2$) með lengri upphitunartíma-, sem lækkar $\\Delta T_{conv}$ í 30$^{\\circ}$C við $h$=500 og leyfir þykkari veggi án yfirborðssuðu. Það er öfugt samband á milli hitaflæðis og veggþykktar sem þarf. Til dæmis, til að nota 2,5 mm vegg með lélegri blöndun (h=300), þarf að lækka hitaflæðið í um 12 kW/m² til að halda ytra yfirborðinu undir 100 gráðum. Bókmenntagildi fyrir h í krómsýru eru mjög háð hönnun tanks og hleðslu vinnustykkis, þannig að verkfræðingar ættu að prófa raunverulegan hitaflutningsstuðul með hitaeiningum á yfirborði hitara við gangsetningu.

Ályktun: Veggþykkt takmörk sjaldan – hræring og hitaflæði eru raunveruleg takmörk
Fyrir títaníum hitara í krómsýru rafskautsbaði (50 g/L CrO₃, 55 gráður) við 20 kW/m² varmaflæði er leyfileg hámarksveggþykkt nánast ótakmörkuð frá hitafræðilegu sjónarmiði þegar baðið er nægilega hrært (h Stærra en eða jafnt og 5·K/m²). Fyrir veggi eins þykka og 2,0 mm gefur rafviðnám títanveggsins minna en 2,5 gráður. C að heildarhitalækkuninni. Helsta hitauppstreymisviðnámið er leiðslumarkalagið, sem fer eftir hræringu baðsins en ekki af veggþykktinni. Þegar böðin eru ófullnægjandi hrærð (h=300 W/m²·K) nægir jafnvel 0,8 mm veggur til að framkalla yfirborðssuðu þar sem 66,7 gráður ΔT til leiðslukerfis er stærra en suðumarksmörkin. Úrræðið í slíkum tilfellum er ekki að tilgreina þynnri vegg, heldur að bæta hræringu eða takmarka hitaflæði. Fyrir flestar rafskautslínur með í meðallagi hræringu veitir títanveggþykkt 1,2-1,5 mm góða málamiðlun á vélrænni styrkleika (þol gegn óviljandi höggi frá álhlutum) og hitauppstreymi. Enginn varmakostur fæst með því að nota veggi sem eru þykkari en 2,0 mm og kostnaður og þyngd efna eykst að óþörfu. Mikilvægu viðmiðin til að skilgreina hitara fyrir rafskautun með krómsýru eru ekki veggþykkt, heldur nauðsynlegt varmaflæði (kW/m²) og spáð flæðihraða framhjá hitaranum (m/s). Gefðu framleiðanda þessar tölur til að staðfesta varmaflutningsstuðulinn. Gefðu veggþykkt 1,2-1,5 mm sem hagkvæmt sjálfgefið sem uppfyllir vélræna og varma staðla.