Који је квантитативни топлотни напон (МПа) развијен у зиду грејача од титанијума дебљине 2,5 мм током гашења воде од 95 степени до 20 степени?

Процесни инжењер забринут због оштећења топлотног шока титанијумског грејача-са дебелим зидовима (2,5 мм) након гашења од 95 степени до 20 степени водом може да одреди квантитативни топлотни напон створен у зиду из једначине топлотног напрезања за брзо хлађену цев. Максимални топлотни напон (σ тх ) се јавља на унутрашњој површини (под претпоставком брзог хлађења споља) и дат је као: σ тх=Е × × Т Δ 1 − вф( ) Где је Е модул еластичности (110 ГПа), коефицијент топлотног ширења (8,6 × 10 -6), Δ ν је промена степена, Δ ν степен је промена Поиссонов однос (0,34) и ф( ) је фактор геометрије који зависи од Биотовог броја (брзина хлађења). За цев са -зидком (т=2.5 мм, ОД=25 мм) угашену у води (х=1, 000-5 000 В/м²К, Биотов број > 10) ф( ) ≈ 1,0 (потпуни термички шок). Израчунати термички напон је σ_тх=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110е9 × 6,45е-4) / 0.66=(71 × 10 6) МП. Овај напон износи око 39 процената границе течења (275 МПа) и 54 процената максималне затезне чврстоће (345 МПа). Пуцање услед топлотног замора може бити изазвано поновљеним термичким ударима (100-1000 циклуса) при напонима испод границе течења.

Механизам формирања топлотних напона при гашењу
Ако се врућа цев од титанијума урони у хладну воду, спољашња површина се брзо хлади и сабија. Унутрашња површина, остајући врућа, супротставља се овој контракцији, стављајући спољашњу површину у напетост, а унутрашњу у компресију (за цев хлађену споља). За високе коефицијенте преноса топлоте (х > 5.000 В/м²К) температурна разлика у дебљини зида може бити 30-50 степени за зид од 2,5 мм током првих неколико секунди гашења. Термичко напрезање је повезано са тренутном температурном разликом преко зида, и оно је максимално на око 0,3-0,5 $\\тимес$ $\\Делта Т_{тотал}$. Израчунатих 108 МПа је максимални напон током гашења. Ако је граница попуштања премашена, долази до пластичне деформације и присутних заосталих затезних напона након хлађења, повећавајући подложност корозијском пуцању под напоном.

Квантификација топлотног напрезања као функција дебљине зида и озбиљности гашења
Дебљина зида т (мм) Гашење Средњи Коефицијент преноса топлоте х (В/м 2 К) Макс. ΔТ преко зида (степен) Топлотни напон (МПа) % приноса (275 МПа) Опасност од пластичне деформације
1.5 Негазирана вода (блага) 500 15 22 8% Нема 1.5 Мешана вода 2,000 30 43 16% Нема
1.5 Гашење (хладна вода) 5,000 45 65 24% Нема
2.0 Гашење (хладна вода) 5,000 55 79 29% Нема 2.5 Гашење (хладна вода) 5,000 65 108 39% Нема (еластична)
3.0 Гашење (хладна вода) 5,000 75 125 45% Нема (еластично)
2.5 Ледена вода (0 степени, ΔТ=95 степен) 10,000 85 140 51% Близу приноса
3.0 Ледена вода (0 степени ) 10000 100 165 60%Вероватна је пластична деформација
Водич за управљање топлотним шоком заснован на{0}}у сценарија
Радни услови и тип гашења Дебљина зида (мм) Топлотни напон (МПа) Ризик од пуцања Препоручена радња:
Нормално искључивање, ваздушно хлађење (споро) 1,5-3,0 < 10 Ништа Нема проблема
Нормално искључивање, испирање водом (топло) 1.5-2.0 20-40 Ништа није прихватљиво
Угашење у хитним случајевима (хладна вода, једном-пут) 2.5 108 Ниско (једном-пут) Прихватљиво. Провера после догађаја.
Хитно гашење (ледена вода, појединачни инцидент) 2.5 140 Умерено (може попустити локално) Уклоните грејач ради прегледа Провера деформације.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) са гашењем водом Смањена брзина хлађења.
Често (дневно) гашење Било које > 2,0 > 100 Високо (пуцање услед замора) Користите хлађење са наглом (контролисаном брзином) уместо гашења.
Quench from high temperature (>150 степени) 2,5 > 200 ЈакаНе препоручује се. Користите споро хлађење или другу супстанцу.
Инжењерско ублажавање топлотног напона изазваног гашењем{0}}
Термичко гашење је неизбежно код грејача од титанијума са дебелим-зидовима, али постоје три ублажавања која помажу у смањењу топлотног стреса. Прво ублажавање утицаја је употреба топле воде за гашење (40-50 степени наспрам. 20 степени). Смањење ΔТ са 75 степени на 45 степени смањује термички стрес са 108 МПа на 65 МПа (смањење од 40%), напон далеко испод приноса. Друго ублажавање је коришћење негазиране воде уместо воде са мешањем (х=500 В/м2К уместо 5000) да би се повећало време гашења. Смањени коефицијент преноса топлоте смањује температурни градијент кроз зид, смањујући вршни напон на 22 МПа за зид од 2,5 мм. Треће ублажавање је претходно хлађење грејача на ваздуху пре гашења водом. Хлађење на ваздуху од 95 степени до 60 степени (10 мин) праћено гашењем смањује ΔТ са 75 степени на 40 степени, а самим тим и термички стрес.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 Ц Гашење
Зид грејача од титанијума степена 2 дебљине 2,5 мм доживљава квантитативно топлотно напрезање од око 108 МПа током гашења воде од 95 степени до 20 степени са коефицијентом преноса топлоте од 5.000 В/м2К (узмешана вода). Ово напрезање износи 39% границе течења материјала (275 МПа) и 54% максималне затезне чврстоће (345 МПа). Напетост је још увек у еластичном опсегу тако да једно гашење неће изазвати пластичну деформацију или брзи отказ. Понављано гашење топлотом (100-1.000 циклуса) може да изазове пуцање услед термичког замора, посебно на завареним спојевима, огреботинама или другим концентраторима напона. Топла вода за гашење (40-50 степени), умерено хлађење у негазираној води и претходно хлађење на ваздуху пре гашења се препоручују да би се продужио животни век грејача. Тамо где је потребно често гашење, снижавање дебљине зида на 1,5-2,0 мм смањује топлотно напрезање на 65-79 МПа, у границама безбедног еластичног опсега.