Која је максимална дозвољена дебљина зида за одржавање преноса топлоте на 20 кВ/м² за грејач од титанијума који ради у кади за анодизацију хромне киселине (50 г/Л ЦрО₃, 55 степени)?

Основни{0}}уступци у дизајну титанијумских грејача за елоксирање хромном киселином
Елоксирање хромном киселином је електрохемијска метода која се користи за производњу заштитних оксидних премаза на алуминијумским компонентама ваздухопловства. Купатило обично укључује 50 г/Л хром триоксида (ЦрО₃) на 55 степени, а титанијумски грејач се користи за одржавање температуре током циклуса анодизације. Хромна киселина је снажан оксидант и лако пасивира титанијум, што даје добру отпорност на корозију. Међутим, када је осетљиво на промене температуре, а грејач мора да обезбеди топлотни ток од око 20 кВ/м2 (2,0 В/цм2) да би одржао услове процеса. Кључно ограничење дизајна није корозија већ ефикасност преноса топлоте. Хромна киселина има много нижу проводљивост и много већи вискозитет у поређењу са водом, формирајући дебели гранични слој на површини грејача. Дебљина зида титанијумског омотача доприноси низу електричног отпора овом граничном слоју. Повећање дебљине зида смањује укупан коефицијент преноса топлоте и захтева или вишу температуру грејног елемента (смањење електричне ефикасности и МгО изолационог века) или већу површину грејача (повећање цене и величине резервоара). У овој анализи, максимална дозвољена дебљина Ти зида је одређена за одржавање топлотног тока од 20 кВ/м2 без прекорачења захтеване унутрашње температуре жице од 400Ц за грејаче изоловане МгО, и без изазивања локализованог кључања или разградње хромне киселине на површини плашта.

Утицај на механички интегритет: разматрања корозије хромном киселином
Титанијум степена 2 отпоран је на хромну киселину при свим концентрацијама и температурама до кључања. Оксидациона моћ Цр(ВИ) индукује стабилан, дебео пасивни премаз (ТиО2 обогаћен врстама хрома) са стопама корозије < 0,005 мм/год. Локализовани напад није изазван хромном киселином, као што је то случај са купкама које садрже хлорид када је удубљење у питању. Минимална дебљина зида ради механичког интегритета (напрезања при руковању, притиску и монтажи) је 0,8 мм за цеви пречника до 25 мм. Повећање дебљине зидова не помаже код корозије јер је пасивни слој већ стабилан и хомоген. Стога је употреба дебљег зида само компромис између механичке чврстоће (нпр. отпорности на случајне ударе алуминијумских обрадака) и термичких перформанси. У купкама за елоксирање хромне киселине, кућиште за велике зидове није добро направљено, у механичком смислу, ако је улазак у резервоар контролисан и руковање радним предметом је пажљиво. За водове велике пропусности где грејачи могу да буду ударени у регале или делови, умерена дебљина зида (1,2-1,5 мм) пружа отпорност на удар без озбиљних термичких оштећења.

Утицај на топлотне перформансе Кондуктивни отпор и граница топлотног флукса
За грејач за урањање од титанијума са густином снаге од 20 кВ/м^2 (2,0 В/цм^2) у купатилу хромне киселине од 55 степени, укупна температурна разлика између жице унутрашњег отпора и купатила је збир четири отпора: (1) унутрашња жица-до-проводна сучеља МгО, кроз Мг2О проводни интерфејс, (г2О) зид, и (4) конвективни у хромну киселину. МгО изолација ограничава температуру жице на 400 степени за дуг живот. Електрични отпор преко титанијумског зида је ΔТ_Ти=к × т / к_Ти , са к_Ти ≈ 17 В/м·К на 55 степени. За зид од 1,0 мм, ΔТ_Ти=(20,000 В/м² × 0,001 м) / 17 В/м·К=1.18 степен. ΔТ_Ти=2.35 степен за зид дебљине 2,0 мм. Конвективни отпор у купатилу хромне киселине је знатно већи, ΔТ_цонв=к/х, где је х коефицијент конвективног преноса топлоте. За типично купатило за анодизацију са умереним мешањем (проток од 0,3 до 0,5 м/с поред грејача), х ≈ 400 до 600 В/м2К. За х=500 В/м2К, ΔТцонв=20,000 / 500=40 степен. Укупни пад температуре од спољне површине титанијума до купатила је 40 степени, али пад кроз титанијумски зид је само 1,2-2,4 степена. Према томе, топлотна отпорност титанијумског зида износи приближно 3-6% укупне топлотне отпорности. Доминантни механизми су конвективни гранични слој и МгО изолација. Повећање дебљине зида са 1,0 мм на 2,0 мм повећава потребну температуру жице за отприлике 1,2 степена -- безначајна промена. Ова анализа претпоставља, међутим, да је температура спољне површине нижа од тачке кључања купатила са хромозом (око 105 степени на атмосферском притиску за овај састав). За х=500, температура површине је Т_површина=Т_булк + ΔТ_цонв=55 степен + 40 степен=95 степен. Ово је много испод тачке кључања, тако да не долази до покривања паре. Т_површина се подиже на 96,2 степена чак и са зидом од 2,0 мм. Дакле, са тачке гледишта чистог преноса топлоте, дебљина зида нема утицаја на перформансе при 20 кВ/м².

Синтеза{0}}о компромиса: максимална дозвољена дебљина зида
Следећа матрица даје максималну дозвољену дебљину титанијумског зида за купатило за елоксирање хромне киселине (50 г/Л ЦрО3, 55 степени) при топлотном флуксу од 20 кВ/м2, како би се температура спољне површине одржала испод 100 степени (да би се избегло локализовано кључање и распадање хромне киселине) и температура унутрашње жице испод 40 г (заштита од 40 г О степена).

Дебљина зида (мм) Ниво мешања (х, В/м2К) Температура спољне површине (Ц) Температура унутрашње жице (Ц) Максимално дозвољено? Фактор ограничења
0,8 мм Лоше (х=300) 55 + 66.7=121.7 степен 121.7 + (0,8*20/17)=122.6 степен Нема Површинско кључање (изнад 100 степени)
0,8 мм Умерено (х=500) 55 + 40=95 степен 95 + 0.94=95.9 степен Да Ништа – у границама
0,8 мм Добро (х=800) 55 + 25=80 степен 80 + 0.94=80.9 степен Да Одлична маргина
1,5 мм Умерен (х=500) 95 степени 95 + (1,5×20/17)=96.8 степен Да Прихватљиво
2,0 мм Умерено (х=500) 95 степени 95 + (2,0×20/17)=97.4 степени Да Прихватљиво
2,5 мм Умерен (х=500) 95 степени 95 + (2,5×20/17)=97.9 степен Да Прихватљиво, али није обавезно
3,0 мм Лош (х=300) 121,7 степени 121.7 + (3,0×20/17)=125.2 степен Нема Површинско кључање, температура жице превисока
Подаци показују да је за добро{0}}умешано купатило (х > 500 В/м²·К) дебљина зида до најмање 2,5 мм термички подношљива јер доминира конвективни отпор. Чак и за слабо мешане купке (х=300) зидови од 0,8 мм доводе до површинског кључања јер конвективни ΔТ од 66,7 степени подиже површину на 121,7 степени. У таквим околностима лек није да се промени дебљина зида, већ да се појача мешање или минимизира топлотни ток. Термички гледано, највећа дозвољена дебљина зида је у суштини неограничена, што обезбеђује одговарајуће мешање; међутим, практична ограничења производње (савијање цеви, заваривање и цена) ограничавају дебљину на 2,0–2,5 мм за већину дизајна грејача.

Инжењеринг изван зида: побољшана агитација и смањен топлотни ток
Пошто је конвективни гранични слој главни топлотни отпор у елоксирајућим кадама хромне киселине, најбоља стратегија за одржавање преноса топлоте на 20 кВ/м2 за било коју дебљину зида је промовисање довољног мешања купатила. Да би рециркулацијска пумпа присилила проток преко површине грејача брзином од 0,5–1,0 м/с, х се може повећати на 600–800 В/м2К, ΔТцонв смањен на 25–33 степена, а спољна површина остаје испод 90 степени чак и са дебљином зида од 2,0 мм. Ако побољшање мешања није могуће, могуће је смањење потребног топлотног флукса. Многе линије за анодизацију раде на 15 кВ/м$^2$ (1,5 В/цм$^2$) са дужим временом загревања-, што смањује $\\Делта Т_{цонв}$ на 30$^{\\цирц}$Ц на $х$=500 и омогућава дебље зидове без површинског кључања. Постоји инверзна веза између топлотног флукса и потребне дебљине зида. На пример, да би се користио зид од 2,5 мм са лошим мешањем (х=300), топлотни ток треба да се смањи на око 12 кВ/м² да би се спољашња површина одржала испод 100 степени. Литературне вредности за х у хромној киселини у великој мери зависе од дизајна резервоара и оптерећења радног комада, тако да би процесни инжењери требало да тестирају стварни коефицијент преноса топлоте са термопаровима на површини грејача током пуштања у рад.

Закључак: Дебљина зида ретко ограничава – агитација и топлотни ток су праве границе
За грејач за урањање од титанијума у ​​кади за анодизацију хромне киселине (50 г/Л ЦрО₃, 55 степени) при топлотном флуксу од 20 кВ/м², максимална дозвољена дебљина зида је скоро неограничена са термичке тачке гледишта када је купатило довољно промешано (х Веће или једнако 500 В/м²). За зидове дебљине од 2,0 мм, електрични отпор титанијумског зида доприноси мање од 2,5 степени. Ц до укупног смањења температуре. Главни топлотни отпор је конвективни гранични слој, који зависи од мешања купатила, а не од дебљине зида. Када су купке неадекватно промешане (х=300 В/м²·К) чак и зид од 0,8 мм је довољан да изазове површинско кључање јер је конвективни ΔТ од 66,7 степени већи од границе тачке кључања. Лек у таквим случајевима није да одредите тањи зид, већ да побољшате агитацију или ограничите топлотни ток. За већину линија за анодизацију са умереним мешањем, дебљина зида од титанијума од 1,2-1,5 мм обезбеђује добар компромис механичке робусности (отпорност на ненамерне ударе алуминијумских делова) и термичких перформанси. Коришћењем зидова дебљих од 2,0 мм не добија се топлотна предност, а трошкови и тежина материјала се непотребно повећавају. Важни критеријуми за дефинисање грејача за елоксирање хромном киселином нису дебљина зида, већ потребан топлотни ток (кВ/м²) и предвиђена брзина протока поред грејача (м/с). Доставите ове бројеве произвођачу да потврди коефицијент конвективног преноса топлоте. Обезбедите дебљину зида од 1,2-1,5 мм као исплативу подразумевану вредност која испуњава механичке и термичке стандарде.