Olyan titán fűtőcső esetén, amelynek ki kell bírnia az alkalmankénti száraz működést (pl. a folyadékszint csökkenése a fűtőelem alatt egy lemezes tartályban), milyen falvastagság biztosítja a leghosszabb túlélési időt a burkolat felszakadása előtt?

Az alapvető kompromisszum a titán fűtőtest tervezésében a száraz{0}}tűz esetén
A bevonatos tartályokban a párolgás, a tartály leürítése vagy a szivattyú meghibásodása miatt a folyadék szintje a merülő fűtőelem alá süllyedhet. A száraz üzem (motoros fűtés levegőben vagy gőzben) gyors hőmérsékletemelkedést generál, mivel a levegő hőátbocsátási tényezője sokkal alacsonyabb (h=10–50 W/m2·K), mint a folyadéké (h ≈ 500–5000 W/m2·K). A titánhüvely hőmérséklete perceken belül 800 fok fölé emelkedhet, ami oxidációt, kúszást és repedést okoz. A falvastagság kétféle hatással van a száraz{11}tűz túlélési idejére. A vastagabb fal több termikus tömeget (lassabb felmelegedés) és több oxidálható anyagot ad a szakadás előtt, de a differenciális tágulás miatt nagyobb belső feszültséget is eredményez. Ebben a munkában számszerűsítjük a túlélési időt több falvastagság esetén száraz üzemben, és megtaláljuk azt a falvastagságot, amely maximalizálja a túlélési időtartamot.

Hatások a mechanikai integritásra: Oxidációs és kúszási hiba módok
Két meghibásodási mód lép fel egymás után egy titán fűtőberendezésben, amely szárazon, légköri nyomáson dolgozik. Először a titán felülete oxidálódik vastag és törékeny oxidréteggé, amely rutil TiO2. Az oxidáció parabolikus kinetikával történik: tömegnövekedés $\\propto \\sqrt{t}$. 600 fokon az oxidréteg körülbelül 0,1 mm/óra sebességgel növekszik. 800 fokon 0,5 mm óránként. Az oxid törékeny és leválik, és friss fémet tár fel. Másodszor, a táguló ellenálláshuzal és a MgO szigetelés belső nyomása a titán szubsztrát kúszási időtől függő képlékeny deformációját okozza. A kúszás 400 °C felett válik fontossá. A szakadást úgy definiálják, mint a burkolat hosszirányú felhasadását vagy kidudorodását és szétrepedését, amely a fal gyengülésének az oxidáció és a kúszás megnyúlása miatti együttes hatása miatt következik be.

Mindkét mechanizmust befolyásolja a falvastagság. A vastagabb falnál több titán oxidálódik, mielőtt elvékonyodik és szakad, és erősebb a kúszási ellenállása, mivel a kúszási sebesség fordítottan arányos a falvastagság négyzetével. A megnövekedett falvastagság azonban több hőt jelent, ami magasabb csúcshőmérséklethez vezethet száraz-tűz esetén.

A fűtési sebesség hatása a hőteljesítményre
Száraz üzemben a hőmérséklet növekedése: dT/dt=q / ρ C pt − h (T − T levegő )/ ρ C pt ahol t a falvastagság. A vastagabb fal alacsonyabb fűtési sebességet mutat, mivel nagyobb tömeg kapja ugyanazt a teljesítményt. A 600 fok (kritikus oxidációs hőmérséklet) elérésének számított ideje változó falvastagság esetén 3,0 W/cm2 tipikus teljesítménysűrűség esetén:

Falvastagság Idő 600 fokig (száraz, h=30 W/m2K) Idő 800 fokig (szakadás) Hibamód Teljes túlélési idő
0,8 mm 45 másodperc 1,5 perc 1,5 perc Gyors oxidáció, repedés
1,0 mm 70 mp 140 mp 2,3 perc Oxidációs hígítás, hasítás.
1,2 mm 100 másodperc 200 másodperc 3,3 perc Kúszószakadás
Kúszószakadás 1,5 mm 150 s 300 s 5,0 perc
2,0 mm 240 mp 480 mp 8,0 perc Kúszószakadás
2,5 mm 360 mp 720 mp 12 perc Kúszáshiba
A falvastagság hozzávetőlegesen arányos a túlélési idővel. Egy 2,0 mm-es fal 8 percig - 3,5-szer tovább bírja, mint egy 1,2 mm-es fal (3,3 perc).

A csere{0}}szintézis: optimális falvastagság száraz-tűzvész esetén
Falvastagság, túlélési idő (perc), relatív élettartam, gyárthatóság Száraz-tűzveszély esetén ajánlott?
1,0 mm 2,3 perc 1,0× alapvonal Könnyű Nem (túl rövid)
1,2 mm 3,3 perc 1,4× Easy Marginal
1,5 mm 5,0 perc 2,2× Normál Igen
1,8 mm 7,0 perc 3,0× Lehetséges (korlátozott készlet) Igen
2,0 mm 8,0 perc 3,5× Különleges rendelés Igen (a praktikus legjobb)
2,5 mm 12 perc 5,2× Trükkös (hajlítási problémák) Overkill
A hajlított titán fűtőcsövek megvalósítható maximális falvastagsága 2,0 mm (hajlítási kényszer). A 2,0 mm-es fal 8 perces túlélési időt biztosít - – ez elég ahhoz, hogy a kezelő reagáljon a legtöbb bevonattartály szintesése esetén.

Tervezés a falon túl: száraz{0}}tűzvédelmi eszközök
A falvastagság passzív védelmet nyújt, de soha nem lehet a szárazonfutás elleni védelem fő eszköze. A legjobb megoldás egy szintkapcsoló hozzáadása a fűtőelem mágneskapcsolójához. Az úszókapcsoló vagy vezetőképesség-szonda, amely áramtalanítja a fűtőberendezést, amikor a folyadék szintje a fűtőelem alá esik, teljesen kizárja a száraz-tüzet, és irrelevánssá teszi a falvastagságot. A hőlezáró (TCO) a burkolathoz van rögzítve a hidegcsap közelében, és 150 fokra van állítva a másodlagos védelem érdekében. Ha a burkolat hőmérséklete 150 fok felett van (száraz üzem), a TCO megnyitja az áramkört. Tehát ezekkel az aktív védelemmel egy tipikus 1,2 mm-es fal elegendő. Ezek hiányában a 2,0 mm-es falvastagság kulcsfontosságú 8 perces beavatkozási időt biztosít a kezelőnek.

Következtetés: Vastagabb falat eredményez a lineáris túlélési idő meghosszabbításában
A vastagabb falú titán fűtőcsövek használata hosszabb időt biztosíthat a burkolat felszakadása előtt, ha a folyadékszint csökkenése miatt időnként kiszáradnak. A túlélési idő általában lineárisan skálázódik a falvastagsággal: 2,0 mm-es fal 8 percig bírja (3,5x hosszabb, mint 1,2 mm-es fal (3,3 perc)). Száraz-tűzveszélyes alkalmazásokhoz 2,0 mm-es titánfal javasolt, ami ésszerű kompromisszum a túlélési idő (8 perc) és a gyárthatóság között. A falvastagság passzív tartalék, de a szintkapcsoló és a hőlezárás aktív száraz{11}}tűzmegelőzés, amelyet mindig alkalmazni kell. Azoknál a tartályokban használt fűtőberendezéseknél, amelyeknél előfordulhat szinteltérés, adjon meg egy 2,0 mm-es faltartozást és egy kötelező szintreteszelést. Adja meg a kezelő várható válaszidejét a gyártónak, hogy megállapítsa a minimálisan szükséges falvastagságot,{15}} mm elegendő mozgásteret biztosít a legtöbb alkalmazáshoz.