За нагревател с титаниева обвивка, постоянно потопен в течаща река за прием на вода (общо разтворени твърди вещества 300 ppm, pH 7,2, 25 градуса), каква е минималната дебелина на стената, за да издържи кавитация от близка помпа?

Основният компромис в титаниевите нагреватели за кавитация,-предизвикана от помпата
Помпите в речните водосборни съоръжения пренасят водата до пречиствателни станции или промишлени охладителни системи. Понякога се поставят нагреватели от титаниева обвивка, за да се избегне замръзване или да се поддържат минимални температури. Ако нагревателят е близо до входовете или изхода на помпата, той е предразположен към кавитация, което е производството и бързото свиване на мехурчета от пара в движеща се вода. Кавитацията създава локализирани ударни налягания над 1000 бара и микро-струи със скорости до 100 m/s. Това води до износване на титаниеви повърхности чрез механизъм на умора. Минималната дебелина на стената, за да издържи на кавитационната ерозия, е функция на интензитета на кавитацията (функция на дизайна на помпата и скоростта на потока) и устойчивостта на титан към циклично натоварване. Дебелината на стената осигурява жертвен слой, който може да се влоши преди перфорация. Този анализ идентифицира минималната дебелина на стената, необходима за условията на кавитация в обикновените помпени станции за речна вода.

Ефект върху механичната цялост: механизъм на кавитационна ерозия
Когато локалното налягане падне под налягането на парите на водата, възниква кавитация и се образуват мехурчета от пара. След това тези мехурчета бързо се свиват, когато се натъкнат на области с по-високо налягане. Свиващият се балон произвежда микро-струя с 50-150 m/s, която се удря в съседната повърхност. Кумулативният ефект от милиони срутвания на мехурчета всяка секунда води до умора на повърхността, втвърдяване при работа и накрая загуба на материал. Продължителността на инкубацията (времето до започване на видима загуба на тегло) за титан от степен 2 зависи от силата на кавитацията, изразена чрез кавитационното число σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Колкото по-ниско е σ, толкова по-интензивна е кавитацията.

Нормалните скорости на потока в речните водохващания са 2–4 m/s на мястото на нагревателя. Числото на кавитация е между 0,3 и 1,0, което показва умерена до тежка кавитация. Степента на кавитационна ерозия на титан от степен 2 при тези условия е 0,2–0,8 mm на година след инкубацията. Самият инкубационен период е 100-500 часа. Материалът се отстранява и след това се отстранява с постоянна скорост.

Ефект върху топлинните характеристики: Скорост на потока и степен на ерозия
Скоростта на кавитационната ерозия се мащабира със скорост на степен 4-6 (изключително чувствителна). Скоростта на ерозия намалява с коефициент 16–64, ако скоростта на потока се намали от 4 m/s на 2 m/s. Дебелината на стената няма ефект върху скоростта на ерозия - тя само определя колко дълго оцелява нагревателят след началото на ерозията. Топлинните характеристики (коефициент на топлопреминаване) се подобряват с увеличаване на скоростта на потока, което е в конфликт. По-високата скорост повишава ефективността на нагряване, но увеличава значително кавитационната ерозия.

Минимална дебелина на стената 10-години живот Синтез на компромис
Скорост на потока при нагревателя (m/sec) Число на кавитация (σ) Скорост на ерозия (mm/година) Препоръчителна стена (с фактор на безопасност) Минимална стена за 10-годишен живот (mm)
1.5 m/s >1,0 (кавитация) 0.00 0.8 mm (структурна) 0,8 mm
0,8 (умерено) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 милиметъра
2,5 m/s 0,6 (умерено) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/sec 0,4 (тежко) 0.60 6.0 mm Непрактично 4,0 m/sec 0,3 (много тежко) 1.50 15 mm Невъзможно
За нормални речни водоприемници със скорости на потока 1,5–2,0 m/s на мястото на нагревателя (не на непосредствения вход на помпата), стена от 1,2–1,5 mm е достатъчна за 10-годишен живот. Над 2,5 m/s необходимата дебелина на стената е непрактична и се налага препроектиране.

Инженерство отвъд стената: Предотвратяване на кавитация и преместване на нагревателя
Скоростта на кавитационната ерозия се мащабира с четвърта степен на скоростта или по-голяма, следователно най-добрият подход е да преместите нагревателя извън зоните с висока скорост. Локално скоростта се намалява до<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

Заключение 1,5 mm стена е достатъчна за типични условия (v По-малко или равно на 2,0 m/s)
Минималната дебелина на стената, необходима за устойчивост на кавитация от близка помпа за нагревател с титаниева обвивка, постоянно потопен в течащ речен водоприемник при 25 градуса с общо разтворени твърди вещества 300 ppm и pH 7,2, е функция на местната скорост на потока. С типична скорост от 1,5-2,0 m/s (извън непосредствения вход на помпата), стена с дебелина 1,2-1,5 mm от титан клас 2 има експлоатационен живот от 10 години. Когато скоростите са повече от 2,5 m/sec, е необходима дебелина на стената, по-голяма от 3 mm (непрактично за нагревателни тръби) и нагревателят трябва да бъде преместен или екраниран с преграда или покритие. Нагревателите за приемане на речна вода трябва да бъдат определени с титаниева обвивка от клас 2, дебелина на стената 1,5 mm, на разстояние най-малко 1 m от всеки вход или изход на помпата и монтирани с преграда, насочваща потока, ако е възможно. Производителят ще изчисли кавитационното число и скоростта на ерозия. Осигурете очакваната скорост на потока на мястото на нагревателя (m/s) и характеристиките на помпата. Предотвратяването на кавитация (намаляване на скоростта) е много по-добро от увеличаването на дебелината на стената.