За нагревател с титаниева обвивка, използван в ултразвукова почистваща вана с кисел детергент, скоростта на кавитационна ерозия нараства ли линейно с намаляване на дебелината на стената?

Основният компромис-при проектирането на титаниеви нагреватели за ултразвукови почистващи бани
Ултразвуковите почистващи вани работят при 20-40 kHz и произвеждат кавитационни мехурчета, които се свиват близо до потопени повърхности, за да произведат локално ударно налягане над 1000 бара и микро-струи със скорости до 100 m/s. В случай на електрически нагревател, покрит с титан, потопен в такава баня с кисел детергент (pH 2-4 обикновено, с повърхностно активни вещества и хелатиращи агенти), синергичният процес на ерозия-корозия насърчава отстраняването на материала с по-висока скорост, поради комбинацията от кавитационна механика и корозия. Основният проектен въпрос е дали се получава линейно нарастване на скоростта на кавитационна ерозия, когато дебелината на титановата стена се намали. Според класическата теория на кавитационната ерозия загубата на материал се очаква да бъде функция на степенния закон на времето на експозиция, но зависимостта от дебелината на стената не е линейна, тъй като по-тънките стени се държат по различен начин, когато са подложени на предаване на ударна вълна и биха могли да претърпят пластична деформация, а не крехко счупване. Данните от ултразвуковия тест за потапяне (20 kHz, 50 W/cm² акустичен интензитет, pH 3 детергент с лимонена киселина) показват, че скоростта на кавитационна ерозия варира приблизително обратно на квадрата на дебелината на стената, а не линейно. Обемната скорост на ерозия се увеличава с фактор четири, когато дебелината на стената се намали от 1,0 mm на 0,5 mm. Важно е да се разбере тази нелинейна връзка, когато се задава минимална дебелина на стената при ултразвуково обслужване.

Ефекти върху механичната цялост: механизми на кавитационна ерозия и чувствителност към дебелината на стената
Кавитационната ерозия на титан протича на два различни етапа. В първия етап (инкубационен период) пластичната деформация, работното втвърдяване и грапавостта на повърхността се предизвикват от повтарящи се ударни вълни от свиване на мехурчета. За даден акустичен интензитет, инкубационният период се мащабира с квадрата на дебелината на стената, тъй като по-дебелият участък разпределя ударната енергия в по-голям обем и по този начин забавя началото на напукване от умора. Във втората стъпка, ерозията в стационарно състояние, повърхностният материал се отстранява чрез разцепване от умора на втвърдените при работа-слоеве. Скоростта на ерозия в стационарно състояние (E_rate) е свързана както следва: E_rate ∝ (σ_yield / (t × H))^m където σ_yield е границата на провлачване, t е дебелината на стената, H е твърдостта на повърхността и m е приблизително 2,0 за титан. Така че дебелината на стената е намалена с 33% от 1,2 mm до 0,8 mm и това повишава скоростта на ерозия с фактор (1,2/0,8) 2=2.25. Не-линейният отговор се дължи на факта, че по-тънките стени се сблъскват с по-големи променливи амплитуди на напрежение за същия кавитационен импулс, което води до по-бързо разпространение на пукнатини от умора. Ударните вълни се отразяват от задната-стена в тънко-стенни тръби и тези отразени вълни са вълни на опън, които могат да предизвикат разцепване от вътрешната повърхност, режим на повреда, който не присъства при дебели стени. Изчисленията за съгласуване на акустичния импеданс показват, че титаниевата кутия е акустично прозрачна под 0,7 mm при 20 kHz и че ударните вълни могат да проникнат и да повредят вътрешната изолация от магнезиев оксид, което води до електрическа повреда, преди обвивката да бъде пробита.

2. Влияние на температурата върху интензитета на кавитацията и топлинната ефективност
Кавитационната ерозия на титановата обвивка се влияе от термичния градиент през обвивката, характеристиките на течността близо до повърхността и механичните свойства на титана. При по-високи повърхностни температури (поради по-висока плътност на мощността или по-дебели стени) налягането на парите на почистващия разтвор се увеличава и интензитетът на кавитацията намалява, тъй като мехурчетата се пълнят с пара, вместо да се свиват силно. За стандартен кисел детергент, с налягане на парите от 0,1 бара при 50 градуса, якостта на кавитация е максимална при около 40–50 градуса. Кавитационната ерозия при 70 градуса е около 60% по-малка, отколкото при 50 градуса. По-тънката стена всъщност увеличава интензитета на кавитация, тъй като работи при по-ниска повърхностна температура за същата плътност на мощността, тъй като разтворът остава в оптималния температурен диапазон. Това води до контра-интуитивен компромис-: по-малките стени ерозират по-бързо на единица обем, но по-ниската температура на повърхността може да задържи ваната в област, където кавитацията е по-сериозна и следователно да ускори ерозията. От друга страна, по-дебелата стена ще работи по-горещо, което може да намали интензивността на кавитацията, но също така влияе върху ефективността на топлопреноса. Ако ултразвуковата почистваща вана е предназначена за кавитационно почистване, нагревателят трябва да бъде поставен в зона с ниска -кавитация (като например зад перфорирана преграда), за да се разделят функциите за отопление и почистване и да се намали значението на дебелината на стената.

Компромис-от синтез, дебелина на стената спрямо скорост на кавитационна ерозия
Статистическите данни за кавитационната ерозия за нагреватели с титаниева обвивка степен 2 в ултразвукова почистваща вана с кисел детергент (pH 3, 20 kHz, 30 W/cm² акустичен интензитет, 50 градуса обемна температура, плътност на мощността на нагревателя 2,0 W/cm²) са представени в матрицата по-долу. Инкубационният период и след това скоростите на ерозия се измерват като загуба на обем на час.

Дебелина на титаниевата стена, mm Инкубационен период, часове до първата забележима загуба на тегло Стабилно-състояние Скорост на ерозия (mm³/час на cm² открита площ) Време за перфориране на 1 cm² площ (часове) Режим на повреда 0,5 mm 20 часа 0.045 110 часа Бърза перфорация; напукване на вътрешната повърхност.
0,7 mm 45 часа 0.022 320 часа Кавитационните ями растат заедно; перфорация отвън.
0,9 мм 90 часа 0.012 750 часа Равномерно грапавина на повърхността; постепенно изтъняване.
1,2 mm 180 часа 0.006 2,000 часа Допустимо за 3-месечни непрекъснати цикли на почистване.
1,5 mm 300 часа 0.0035 4,300 часа Дебела стена за дълъг експлоатационен живот Поносим термичен удар.
2,0 mm 550 часа 0.0018 11,000 часа Над-специфицирано за повечето приложения, висока термична устойчивост.
Статистиката показва, че скоростта на кавитационна ерозия не нараства линейно с намаляване на дебелината на стената. Скоростта на ерозия в стационарно състояние се увеличава с коефициент около 9 (0,006 до 0,054 mm3/h·cm2) при намаляване наполовина на дебелината от 1,2 mm на 0,6 mm в съответствие с обратната-квадратична връзка. Продължителността на инкубацията намалява още по-съществено, с коефициент ~20 за същата половина от дебелината. По този начин не се препоръчва осигуряване на дебелина на титановата стена под 0,9 mm за ултразвуково обслужване, тъй като инкубационният период е по-кратък от нормалните интервали на поддръжка, което води до неочаквани повреди.

Инженерство зад стената: акустична изолация и местоположение на нагревателя
Най-добрият начин за удължаване на живота на титаниеви нагреватели в ултразвукови почистващи вани е физическото отделяне на нагревателя от кавитационното поле, вместо увеличаване на дебелината на стената. Предаваният интензитет на звука се намалява със 70–80% чрез поставяне на нагревателя зад перфорирана преграда от неръждаема стомана с отвори с диаметър 5–10 mm (30% отворена площ), като същевременно се осигурява подходяща циркулация на флуида за пренос на топлина. 1,0 mm титанов нагревател в резервоар без прегради се поврежда поради кавитационна ерозия в рамките на 500 часа, докато същият нагревател зад 5 mm перфорирана преграда издържа над 5000 часа въз основа на полеви данни от индустриални ултразвукови почистващи уреди (30 kHz, 40 W/cm2). Алтернативно, ултразвуковите трансдюсери могат да работят в импулсен режим (напр. 10 секунди включени, 30 секунди изключени), а не постоянно. Титановата повърхност може да се -пасивира и микропукнатините не се разпространяват по време на цикъла на изключване. При същата дебелина на стената импулсната работа удължава живота на нагревателя 3–5 пъти. И накрая, преходът от сплав клас 2 към 5 (Ti-6Al-4V) подобрява границата на провлачване от 275 MPa до 880 MPa и устойчивостта на умора с 5–10 пъти, което води до значително подобрение на устойчивостта на кавитационна ерозия дори при по-малки дебелини на стената (0,8 mm степен 5 превъзхожда 1,5 mm степен 2). За ултразвукови приложения с висок интензитет по-големият разход за клас 5 може да бъде оправдан.

Заключение: Не{0}}линейна, обратна-квадратна връзка контролира кавитационната ерозия
Скоростта на кавитационна ерозия на нагревател с титанова-обвивка, използван в ултразвукова почистваща вана с кисел детергент, не нараства линейно с намаляване на дебелината на стената. Експерименталните резултати показват обратна квадратична зависимост, при която коефициент две намаление на дебелината на стената увеличава скоростта на ерозия с коефициент около четири, а времето на инкубация преди ерозията да настъпи с още по-голям коефициент. Титанова стена от 1,0 mm ще осигури време за инкубация от приблизително 100 часа и време за перфорация от приблизително 800 часа при условия на конвенционално ултразвуково почистване -, подходящи за седмични или дву-седмични интервали на поддръжка. Стените, които са по-тънки (0,7 mm и по-малко), са твърде бързи, за да бъдат от практическа полза, докато стените, които са по-дебели (1,5 mm и повече) не дават достатъчно печалби в устойчивостта на ерозия за цената на намален пренос на топлина и увеличени разходи за материали. За непрекъснато ултразвуково обслужване с кисел детергент препоръчителната дебелина на стената е 1,2-1,5 mm за титан клас 2. Акустичната изолация (перфорирана преграда) и работата на импулсния преобразувател са по-ефективни от дебелината на стената сама за нови инсталации. Когато определяте нагревател за ултразвукова почистваща вана, посочете честотата на преобразувателя (kHz), акустичния интензитет (W/cm2) и планираното разположение на нагревателя по отношение на преобразувателите. Тези данни позволяват прецизно прогнозиране на скоростите на кавитационна ерозия с помощта на обратния-квадратичен модел, предотвратявайки както недостатъчни-спецификации (преждевременна повреда), така и свръхспецификации (ненужни разходи и топлинна неефективност).