За титаниева нагревателна тръба, която трябва да издържа на случайна работа на сухо (напр. спад на нивото на течността под нагревателя в резервоар за обшивка), каква дебелина на стената осигурява най-дългото време за оцеляване преди разкъсване на обвивката?

Основният компромис в дизайна на титаниев нагревател за сух{0}}пожар
В резервоарите с покритие, изпарението, източването на резервоара или повреда на помпата може да доведе до спад на нивото на течността под потапящия нагревател. Сухата работа (задвижван нагревател във въздух или пара) генерира бързо повишаване на температурата, тъй като коефициентът на топлопреминаване на въздуха е много по-нисък (h=10–50 W/m2·K) от този на течността (h ≈ 500–5000 W/m2·K). В рамките на минути температурата на титановата обвивка може да се повиши над 800 градуса, причинявайки окисление, пълзене и разкъсване. Дебелината на стената има два ефекта върху времето за{11}}оцеляване при сух огън. По-дебелата стена дава повече топлинна маса (по-бавно нагряване) и повече материал за окисляване преди разкъсване, но също така води до по-голямо вътрешно напрежение поради различно разширение. В тази работа ние количествено определяме времето за оцеляване за няколко дебелини на стената при суха работа и намираме дебелината на стената, която максимизира продължителността на оцеляване.

Ефекти върху механичната цялост: режими на окисление и отказ при пълзене
Два режима на повреда възникват последователно в титанов нагревател, работещ на сухо във въздух при атмосферно налягане. Първо, титановата повърхност се окислява до дебела и крехка оксидна скала, която е рутил TiO2. Окислението протича с параболична кинетика: увеличаване на теглото $\\propto \\sqrt{t}$. При 600 градуса оксидният слой се увеличава със скорост от около 0,1 mm на час. При 800 градуса, 0,5 mm на час. Оксидът е крехък и се лющи, за да разкрие пресен метал. Второ, вътрешното налягане на разширяващия се съпротивителен проводник и MgO изолацията причинява зависима от времето на пълзене пластична деформация на титановия субстрат. Пълзенето става важно при над 400°C. Разкъсването се дефинира като надлъжно разцепване на обвивката или издуване и спукване поради комбинираното действие на отслабване на стената чрез окисление при разцепване и удължаване при пълзене.

И двата механизма се влияят от дебелината на стената. По-дебелата стена има повече титан за окисляване преди изтъняване до разрушаване и има по-силна устойчивост на пълзене, тъй като скоростта на пълзене е обратно пропорционална на квадрата на дебелината на стената. Но увеличената дебелина на стената означава повече топлина, което може да доведе до по-високи пикови температури по време на сух-огън.

Влияние на скоростта на нагряване върху топлинните характеристики
При суха работа повишаването на температурата е: dT/dt=q / ρ C pt − h (T − T въздух )/ ρ C pt където t е дебелината на стената. По-дебелата стена показва по-ниска скорост на нагряване, тъй като по-голямата маса получава същата мощност. Изчисленото време за достигане на 600 градуса (критична температура на окисляване) за различна дебелина на стената за типична плътност на мощността от 3,0 W/cm2:

Дебелина на стената Време до 600 градуса (сухо, h=30 W/m2K) Време до 800 градуса (разкъсване) Режим на повреда Общо време на оцеляване
0,8 mm 45 секунди 1,5 минути 1,5 минути Бързо оксидиране, експлозия
1,0 мм 70 сек 140 сек 2,3 мин Окислително изтъняване, разделяне.
1,2 mm 100 секунди 200 секунди 3,3 минути Разкъсване при пълзене
Разкъсване при пълзене 1,5 mm 150 s 300 s 5,0 min
2,0 мм 240 сек 480 сек 8,0 мин Разкъсване при пълзене
2,5 мм 360 сек 720 сек 12 минути Отказ при пълзене
Дебелината на стената е приблизително пропорционална на времето за оцеляване. Стена от 2,0 mm издържа 8 минути - 3,5 пъти повече от стена от 1,2 mm (3,3 минути).

Компромисът-в синтеза: Оптимална дебелина на стената за сух-пожар
Дебелина на стената, време за оцеляване (минути), относителен живот, технологичност Препоръчва се за опасност от сух-пожар?
1,0 мм 2,3 мин. 1,0× базова линия Лесно Не (твърде късо)
1,2 мм 3,3 мин. 1,4× Лесно маргинално
1,5 мм 5,0 мин. 2,2× Стандартно Да
1,8 mm 7,0 min 3,0× Възможно (ограничено количество) Да
2,0 мм 8,0 мин. 3,5× Специална поръчка Да (най-практично)
2,5 мм 12 мин. 5,2× Трудно (проблеми с огъване) Прекалено
Възможната максимална дебелина на стената за огънати титанови нагревателни тръби е 2,0 mm (ограничения за огъване). 2,0 mm стена дава 8 минути време за оцеляване -- достатъчно, за да може операторът да реагира в повечето ситуации на спад на нивото на резервоара за покритие.

Инженерство отвъд стената: Сухи-устройства за предотвратяване на пожари
Дебелината на стената осигурява пасивна защита, но никога не трябва да бъде основното средство за защита срещу работа на сухо. Най-добрият подход е да добавите превключвател за ниво, свързан към контактора на нагревателя. Поплавъчен превключвател или сонда за проводимост, която изключва-нагревателя, когато нивото на течността падне под нагревателя, напълно изключва сух{3}}огън и прави дебелината на стената без значение. Термично прекъсване (TCO) е прикрепено към обвивката близо до студения щифт и се регулира на 150 градуса за вторична защита. Ако температурата на обвивката е над 150 градуса (суха работа), TCO отваря веригата. Така че с тези активни защити е достатъчна типична стена от 1,2 мм. При липсата им, дебелина на стената от 2,0 mm дава на оператора ключов 8-минутен прозорец за намеса.

Заключение: По-дебелата стена води до линейно удължаване на времето за оцеляване
Използването на титанови нагревателни тръби с по-дебела стена може да осигури по-дълго време преди разкъсване на обвивката, ако от време на време се изсушават поради спад на нивото на течността. Скалите на времето за оцеляване обикновено са линейни с дебелината на стената: стена от 2,0 mm оцелява 8 минути (3,5x повече от стена от 1,2 mm (3,3 минути)). За сухи -приложения с риск от пожар се препоръчва 2,0 mm титаниева стена, което е разумен компромис между продължителността на оцеляване (8 минути) и възможността за производство. Дебелината на стената е пасивно резервно копие, но превключвателят за ниво и термичното прекъсване са активно сухо{11}}предотвратяване на пожар, което винаги трябва да се прилага. За нагреватели, използвани в облицовъчни резервоари, които могат да претърпят отклонения в нивото, посочете 2,0 mm стена в непредвидени случаи и задължителна блокировка на нивото. Осигурете предвидено време за реакция на оператора на производителя, за да установи минималната необходима дебелина на стената . 2.0 mm ще даде достатъчен резерв за повечето приложения.