Когато се използва титаниева нагревателна тръба в изпарител за охладител на саламура (потопена в 20% CaCl₂ солена вода при -цикли на термопомпа от 20 градуса до 40 градуса), как дебелината на стената влияе върху риска от крехкост и счупване при ниска температура?

Основният компромис-в дизайна на титаниевия нагревател за обслужване на солен разтвор при температура под нулата
Изпарителите за охлаждане на солен разтвор използват 20% солен разтвор на калциев хлорид (CaCl2) като вторичен хладилен агент, работещ при -20 градуса (изпарение) и 40 градуса (кондензация/размразяване). Понякога има поставени титанови нагревателни тръби за размразяване или поддържане на температурата. Титанът има температура на преход от пластично към крехко под нулата. Титанът остава пластичен до -250 градуса, за разлика от въглеродната стомана, но прорезите, остатъчното напрежение или водородът могат да причинят крехко счупване под -10 градуса. Дебелината на стената влияе върху състоянието на напрежението при върха на прореза и скоростта на охлаждане по време на топлинен цикъл. Анализът оценява риска от счупване на крехкост при ниска температура в титаниеви нагревателни тръби, които варират между -20 градуса и 40 градуса, и изчислява дебелината на стената, която минимизира този риск.

Ефект върху механичната цялост: Преход от пластичност към крехкост в титан
Титан клас 2 има хексагонална плътно опакована (HCP) кристална структура. HCP металите, за разлика от BCC стоманите, не показват рязка температура на преход от пластично-към-крехкост. Титанът показва енергия на удара на Шарпи над 50 J до -50 градуса. Издръжливостта на счупване обаче пада при минусови-температури, докато има остър прорез (напр. върха на заваръчния шев, надраскване или място на вдлъбнатини). Устойчивостта на счупване при равнинна деформация K_IC на титан от клас 2 при 20 градуса е около 100 MPa√m, а при -20 градуса тя намалява до 70–80 MPa√m. Ако имате прорез, комбиниран с остатъчно напрежение на опън (от огъване или заваряване), можете да получите крехко счупване. Все още доста трудно.

Дебелината на стената влияе върху триосността на напрежението на върха на прореза. Колкото по-висока е дебелината, толкова по-силно е ограничението, т.е. триосността на напрегнатото състояние (близо до равнинната деформация) е по-голяма, което води до намаляване на привидната якост на счупване. Беше наблюдавано, че стена от 2,0 mm има по-голямо ограничение от стена от 1,0 mm и следователно е по-податлива на крехко счупване при ниски температури. Изчисленията, базирани на механиката на счупване, показват, че критичният размер на дефекта за крехко счупване при -20 градуса за 1,0 mm стена е около 2 mm. За 2,0 мм стена е 1,5 мм. По-дебелата стена е по-податлива на малки дефекти.

Влияние върху топлинната производителност: скорост на охлаждане и термичен стрес
По време на прехода от 40 градуса до -20 градуса титановата обвивка и вътрешните компоненти (MgO, съпротивителна тел) се компресират с различни скорости, създавайки топлинен стрес. Топлинно напрежение $\\sigma_{thermal}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8,6e-6 * 60=54 MPa, доста под добива. Но при работа в студен цикъл на нагревателя допълнителното електрическо нагряване води до образуването на температурен градиент през стената. По-дебелата стена (2,0 mm) показва по-голям градиент (ΔT_cond=2.5 степен при 2,0 W/cm²) от по-тънката стена (1,2 градуса). Градиентът също така въвежда напрежение на огъване върху вътрешната повърхност.

Компромис-синтез: дебелина на стената и риск от счупване при ниска{1}}температура
Дебелина на стената (mm) Издръжливост на счупване KIC при -20 градуса (MPa√m) Критичен размер на пукнатината за счупване (mm) Остатъчно напрежение, дължащо се на огъване (MPa) Опасности от счупване при ниска температура
0,8 mm 80 (доминиращо напрежение в равнината) 2,5 mm 50 MPa Ниско 1,0 mm 78 (смесен режим) 2,2 mm 55 MPa Ниско 1,2 mm 75 (смесен режим) 1,9 mm 60 MPa Ниско-Умерено
1,5 mm 72 (приближаваща се равнинна деформация) 1,6 mm 65 MPa Умерена 2,0 mm 68 (плоска деформация) 1,3 mm 75 MPa Умерена-Висока
По-дебелите стени са по-малко -издръжливи на счупване (по-голямо ограничение) и имат по-малки критични размери на дефектите, така че са по-податливи на крехко счупване от незначителни дефекти.

Инженерство отвъд стената: сплави и контрол на дефектите
Тъй като рискът от счупване се определя от размера на дефекта и ограничението, намаляването на дефектите е по-ефективно от промяната на дебелината на стената. Електрополирането на титановата повърхност (Ra по-малко или равно на 0,2 µm) елиминира острите прорези и намалява концентрацията на напрежение. Най-типичните зони за започване на счупване се елиминират, като се гарантира, че заваръчните шевове са шлифовани гладко (без подрязване). Увеличаването до степен 1 ​​на титан (по-малко желязо и кислород, повече пластичност) подобрява издръжливостта при ниска температура. Степен 1 ​​има K_IC от 90–100 MPa√m при -20 градуса, следователно е основно имунизиран срещу крехко счупване дори при 2,0 mm дебелина на стената. За обслужване при много ниски температури се предпочита степен 1.

Заключение: Тънка стена (1,0 – 1,2 mm) е благоприятна за работа с ниска-нулева саламура
Опасността от крехкост и счупване при ниска{0}}температура за титаниева нагревателна тръба в 20% CaCl2 саламура с цикъл от -20 градуса и 40 градуса е по-висока, когато дебелината на стената е по-тънка (1,0–1,2 mm), отколкото когато е по-дебела (1,8–2,0 mm). По-дебелите стени имат по-висока триосност на напрежението (ограничение), което намалява видимата якост на счупване и намалява критичния размер на дефекта за крехко счупване. При -20 градуса стена от 2,0 mm може да бъде счупена от дефект от 1,3 mm, докато стена от 1,0 mm може да издържи на дефект от 2,2 mm. Препоръчителната спецификация е степен 1 ​​или степен 2 на титаниева стена с дебелина 1,0-1,2 mm, електрополирано повърхностно покритие и гладки шлифовани заварки. По-дебели стени (по-големи или равни на 1,5 mm) трябва да се избягват, освен при надграждане до титан клас 1. Осигурете на производителя минималната работна температура и очаквания размер на дефекта (напр. драскотини, подрязване на заваръчния шев). Разредителят е по-добър за устойчивост на счупване при обслужване на охладител за саламура с цикли под нулата.