Mikä on suurin sallittu lämpövirta titaaniluokan 7 vaippalämmittimelle, joka on upotettu 15-prosenttiseen rikkihappoon 90 asteessa paikallisen kiehumisen{3}}aiheuttaman korroosion välttämiseksi?

Korkeat lämpötilat rikkihappokäytössä ovat kova ympäristö titaanilämmityslaitteille. Asteen 7 titaanilla (Ti-0,15Pd) on hyvä korroosionkestävyys 15 % H2SO4:ssä 90 °C:ssa tavallisissa upotusolosuhteissa, mutta kuuman pinnan läsnäolo muuttaa paikallista kemiaa suuresti. Titaanivaipan pinnalla rikkihappoliuoksen paikallinen kiehuminen tapahtuu metallin{12}}nesteen rajapinnassa, kun lämpövirta saavuttaa kriittisen arvon. Kiehuminen johtaa hapon konsentraatioon lähelle lämmitettyä pintaa ja nostaa paikallisen lämpötilan bulk-90 asteen yläpuolelle ja voi muuttaa korroosiokäyttäytymistä passiivisesta aktiiviseksi. Seurauksena on kiihtynyt hyökkäys, joka nähdään korroosiorenkaana höyryn{17}}nesteen rajapinnassa tai kuoppana välittömästi kiinnittyneiden höyrykuplien alapuolella. Tämä artikkeli määrittää suurimman sallitun lämpövuon luokan 7 titaanivaippalämmittimille 15-prosenttisessa rikkihapossa 90 asteessa tämän kiehumisen aiheuttaman korroosiomekanismin välttämiseksi.

Kiehumisen aiheuttama korroosioprosessi
Rikkihappo on ei--atseotrooppinen liuos, jonka kiehumispiste riippuu sen pitoisuudesta. Ilmakehän paineessa olevan 15 % H2S04:n bulkkikiehumispiste on noin 103 astetta. Höyrykuplat muodostuvat pinnan epätäydellisyyksistä, kun lämmittimen vaipan pintalämpötila ylittää paikallisen kiehumislämpötilan. Kuplan muodostuminen saa sen ja kuuman pinnan välisen nestekalvon haihtumaan, jolloin rikkihappo konsentroituu tuohon ohueen kerrokseen. Konsentraatio voi nousta 15 %:sta 30-50 % millisekunnissa kuplan ytimen muodostumisesta ja paikallinen lämpötila kuplan alla olevalla metallipinnalla saavuttaa seinän ylikuumenemislämpötilan, yleensä 5-20 astetta kiehumispisteen yläpuolella.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 mm/vuosi. Kiehuva-indusoitu pitoisuuskerros luo paikallisesti aggressiiviset olosuhteet tarkasti, mikä johtaa nopeaan metallihäviöön kuplan ytimen muodostumiskohdissa.

Lämpövuon kynnyksen määritys
Kriittinen lämpövirta (CHF) 15-prosenttisen rikkihapon ytimien kiehumisessa 90 asteessa on tila, jossa höyrykuplien muodostuminen on riittävän voimakasta ylläpitämään väkevää happokerrosta. CHF:ssä kuplia ilmaantuu ajoittain ja ne poistuvat nopeasti, jolloin tiivistetty pinnoite voi liittyä bulkkiin ennen vakavan korroosion alkamista. CHF:n yläpuolella kuplien tiheys kasvaa, tapahtuu yhteensulautumista ja jatkuva höyrykalvo voi muodostua (siirtyminen kalvon kiehumiseen). Nämä vaikutukset nopeuttavat keskittymistä ja korroosiota.

Kokeelliset tutkimukset luokan 7 titaanikoettimella, joka on upotettu 15 % H2SO4:ään 90 asteessa, paljastavat korroosionopeuden äkillisen nousun lämpövirroilla, jotka ylittävät 35 kW/m2. Korroosionopeus 25 kW/m2:lla on alle 0,05 mm/vuosi. Teholla 35 kW/m2 nopeus nousee 0,10 mm:iin/vuosi, mikä on edelleen hyväksyttävä useimmissa sovelluksissa. Teholla 45 kW/m2 nopeus nousee 0,35 mm:iin/vuosi. Nopeus ylittää 0,8 mm vuodessa 55 kW/m²:n teholla ja näkyvää rengaskorroosiota tapahtuu höyryn{21}}nesteen rajapinnassa. Nopea paikallinen hyökkäys rei'ittää 1,65 mm seinän 1000 tunnissa teholla 65 kW/m{sup 2}.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 v) käyttöteho on 40 kW/m². Sovelluksissa, joiden käyttöikä on 2-3 vuotta, sallitaan 50 kW/m2. Jos arvo on yli 60 kW/m², luokan 7 titaani ei ole sopiva seinänpaksuudesta riippumatta.

Lieventävät tekijät ja sovellusmatriisi
Käyttöolosuhteet ja lämmittimen asetukset Suurin sallittu lämpövirta (kW/m2) Odotettu korroosiomekanismi Suositeltu seinämän paksuus
Pystysuuntainen, täysin upotettu, hyvä luonnollinen konvektio 40 kW/m² (jatkuva) Tasainen passiivinen korroosio<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
Täysin upotettu, vaakasuora kohdistus, hyvä konvektio 35 kW/m² Alhainen kiehumispitoisuus yläpinnalla 1,65 mm
Osittain upotettu (höyry-nesteliitäntä läsnä) 25 kW/m2 Meniskirenkaan korroosio 2,0 mm tai estää osittaisen uppoamisen
Sekoitettu säiliö (mekaaninen tai ilmasuihkutus) 50 kW/m² Sekoitus rikkoo kuplia, vähentää pitoisuutta 1,2-1,5 mm
Alhainen kierto, pysähtynyt säiliö 30 kW/m2Kuplan pitkäikäisyys lisää hyökkäystä 1,65 mm
Kaikki huolto, jossa pintalikaantuminen/hilseily 25 kW/m2 Likaantuminen nostaa paikallista pintalämpötilaa 2,0 mm Käytännön suunnittelusuosituksia
Suurin sallittu lämpövirta jatkuvassa käytössä ilman kiehuvaa korroosiota luokan 7 titaanivaippalämmittimelle, joka on upotettu 15-prosenttiseen rikkihappoon 90 asteessa, on 40 kW/m^2. Tämä lämpövirta johtaa pintalämpötilaan, joka on noin 8-10 astetta bulkkinesteen lämpötilan yläpuolella, pitäen metallipinnan alle 100 asteessa ja rajoittaen höyrykuplien ytimen muodostusta. Insinöörien tulisi kasvattaa lämmitettyä pinta-alaa wattitiheyden sijasta halutun kuumennusnopeuden saavuttamiseksi tämän rajoituksen sisällä. Sama kokonaisteho voidaan syöttää pienemmällä lämpövirralla käyttämällä pidempää lämmitintä tai useita halkaisijaltaan pienempiä putkia rinnakkain. Kysy laskettua vaipan lämpövirtaa (kokonaisteho jaettuna upotetun vaipan pinta-alalla) tilatessasi lämmitintä ja varmista, että se ei ole suurempi kuin 40 kW/m2. Järjestelmissä, joissa on huono kierto tai joissa osittaista uppoamista ei voida välttää, laske sallittu virtaus arvoon 25-30 kW/m2 tai valitse vaihtoehtoinen lämmitystapa, kuten höyrysuihkutus.