Forró (200 fokos) sűrített víz víz alatti melegítéséhez nyomástartó edényben, mennyi a csőfal megengedett maximális hőmérséklete a hidratálás előtt?

A 200 °C-os sűrített víz alatti fűtés különösen nagy nehézséget jelent a titán merülőfűtők számára. Ezen a hőmérsékleten a víz csak nagy nyomáson (körülbelül 16 bar) folyékony. A magas hőmérsékletű, nagy nyomású vízkörnyezet a titán termodinamikai instabilitását okozza a hidrogén abszorpciója tekintetében. A hidridálás például diffúzió{5}}vezérelt, és felületi korrózió vagy lyukkorrózió nélkül halad előre; nem következik be nyilvánvaló felületi károsodás mindaddig, amíg a ridegség hirtelen törést nem okoz. A hidridálás szabályozó paramétere a csőfal hőmérséklete, nem pedig az ömlesztett víz hőmérséklete. A belső fűtőelemből származó hőáram sokkal melegebbre melegíti a titáncső belső falát, mint a vízzel érintkező külső falat. Ennek a belső falhőmérsékletnek bizonyos szintjén a hidrogén abszorpciós sebessége túlságosan magas lesz, és a hidridképződés hónapok, nem pedig évek alatt megy végbe.

Magas hőmérsékletű hidridálási mechanizmus sűrített vízben

A víz a titán felületén 150 fok felett disszociál: H2O → H+ + OH-. A protonok atomos hidrogénné alakulnak, amely a titánrácsba diffundál. A titánban a hidrogén oldhatósága drámaian növekszik a hőmérséklettel 200 ppm 100 fokon több mint 1500 ppm 200 fokon. Amikor a hidrogén helyi koncentrációja meghaladja a terminális szilárd oldhatóságot (TSS), titán-hidrid (TiH2) válik ki. A hidrid fázis térfogata 17%-kal nagyobb, mint a környező titáné, ami belső feszültségeket okoz, amelyek mikrorepedést okoznak. Az irányadó paraméter a belső fal hőmérséklete, amely a hőáramtól és a falvastagságtól függően 20-50 fokkal magasabb lehet, mint a külső falé. A diffúziót a 220 fokos belső fal és a 200 fokos külső fal által létrehozott hidrogénkoncentráció gradiens a hidegebb külső felületre hajtja, ahol a hidridek elsősorban kicsapódnak.

A hidridálási sebesség és a belső fal hőmérséklete közötti mennyiségi összefüggés

Ellenőrzött tesztelés 200 fokos (16 bar) sűrített vízben 2-es fokozatú titáncsöveken, különböző hőáram mellett a következő hidridálási sebességeket igazolta a hidrogénkoncentráció 1000 óránkénti növekedésével:

A belső fal hőmérséklete<210°C: Hydriding rate 10-20 ppm/1000 hours. Time to attain TSS (200 ppm) 10,000-20,000 hours (1-2 years) Great for yearly tube replacement.

Belső fal hőmérséklete: 210-230 fok Hidrálási sebesség: 50-100 ppm/1000 óra. A 2000-4000 órás TSS elérésének ideje (3-6 hónap). Gyakori ellenőrzést és marginális szervizelést igényel.

Belső falhőmérséklet. 230 – 250 °C: Hidratálási sebesség 200–400 ppm/1000 óra. A TSS elérésének ideje 500-1000 óra (3-6 hét). A hidridlemezkék metallográfiailag 500 óra után láthatók.

Belső fal hőmérséklet > 250 fok: Hidratálási sebesség > 500 ppm/1000 óra. A TSS 200-400 óra alatt meghaladta. Megfigyelt felületi perzselés és repedés. A katasztrofális kudarc küszöbön áll.

Számítási útmutató a maximálisan megengedhető belső falhőmérséklethez

Az alábbi táblázat reális megközelítést ad a maximális megengedett belső falhőmérséklet és az ezzel járó hőáram korlátozások becsléséhez a kívánt élettartamra vonatkozóan.

Maximális megengedett belső falhőmérséklet 200 fokon Víz Kívánatos élettartamHasonló maximális hőáram (OD 20 mm, fal 1,2 mm) Egyenértékű maximális hőáram (25 mm külső, 1,5 mm fal)
5 év (43 800 óra) 205 fok 12 W/cm2 10 W/cm2
2 év (17 500 óra) 215 fok 18 W/cm2 15 W/cm2
1 év (8760 óra) 225 fok 25 W/cm 2 22 W/cm2
6 hónap (4380 óra) 235 fok 32 W/cm² 28 W/cm²
Csak segélyszolgálat (1 hónap) 250 fok 45W/cm² 40W/cm²
Mérnöki tervezés a hidridálás megelőzésére

A belső fal hőmérsékletét az ömlesztett víz hőmérséklete, a hőáram (q), a falvastagság (t) és a titán hővezető képessége (k=17 W/m·K 200 fokon) alapján határozzuk meg: ΔT=(q × t) / k. 1,2 mm-es fal esetén 20 W/cm2-nél ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 fok. Ömlesztett víz 200 fokon --belső fal 214 fokon -- a 2 éves élettartamon túl. Érdekes módon a falvastagság csökkentése csökkenti a belső falhőmérsékletet ugyanazon hőáram mellett . 0.8 mm fal 20 W/cm$^2$ $\\Delta T$=9$^o$C, belső fal 209$^o$C, ami 5 éves élettartamra elfogadható. A vékonyabb falak tehát jobban ellenállnak a hidridezésnek, ellentétben a korrózióra vonatkozó szokásos tervezési filozófiával. A palládium katalitikus hatása a hidrogénrekombinációra körülbelül 15-20 fokkal emeli a 7. fokozatú (palládium-stabilizált) titán belső falának hőmérsékleti küszöbértékét.

Egy specifikáció tájékoztatott

Például, ha egy titán fűtőtest van megadva 200 fokos sűrítettvíz szolgáltatáshoz, számítsa ki a belső fal hőmérsékletét a kívánt hőáramból és a javasolt falvastagságból. A 2 évnél hosszabb élettartamot igénylő alkalmazásoknál ne haladja meg a 210 fokot. Ha a hőáram-szükséglet > 25 W/cm2, vagy csökkentse a falvastagságot a ΔT minimalizálása érdekében, vagy biztosítson 7-es fokozatú titánt. Terítse ki a hőáramot. Használjon sok alacsony wattsűrűségű fűtőtestet egy nagy wattsűrűségű fűtőelem helyett. Figyelje a működő fűtőelem elektromos ellenállását. Az alapvonalhoz képest 10-15%-os emelkedés a hidridtermelést és a ridegedést jelzi. Szereljen fel egy hőelemet a cső külső falára, és folyamatosan számítsa ki a belső fal hőmérsékletét. Ha a számított belső falhőmérséklet több mint 100 összesített órán át meghaladja a 230 °C-ot, akkor a fennmaradó falvastagságtól függetlenül kapcsolja ki a fűtőtestet. Az ömlesztett víz hőmérsékletének kezelése helyett a mérnök a belső fal hőmérsékletét szabályozza. Ez megakadályozza a hidrogén ridegedés fokozatos meghibásodását magas hőmérsékletű vízrendszerekben.