Miksi paksulla titaanilämmittimellä, jonka wattitiheys on pieni (5 W/cm²) on pidempi lämpöväsymisikä kuin ohuella lämmittimellä, jonka wattitiheys on korkea (15 W/cm²)?

Kun prosessiinsinööri valitsee titaanista valmistetun uppolämmittimen sykliseen lämpöhuoltoon (usein päälle/pois-jaksot), paksulla lämmittimellä, jonka wattitiheys on pieni (5 W/cm^2), on paljon pidempi lämpöväsymisikä kuin ohuella lämmittimellä, jonka wattitiheys on korkea (15 W/cm^2). Lämpöväsymisaikaa säätelee syklinen plastinen venymäamplitudi (Δεpl) lämmittimen pinnalla, jonka määrää lämpötilan vaihtelu (AT) ja lämpötilagradientti seinämän paksuuden läpi. Paksulla lämmittimellä (2,5 mm) teholla 5 W/cm 2 on alhainen vaipan lämpötila (yleensä 110-120 astetta veden lämmitykseen) ja minimaalinen ΔT seinän poikki (< 5 astetta). Kapea lämmitin (1,2 mm) teholla 15 W/cm2 osoittaa korkean vaipan lämpötilan (140-160 astetta) ja suuremman ΔT:n seinän poikki (10-15 astetta). kohonnut ΔT lisää syklistä muovijännitystä ja lyhentää väsymisikää. Kvantitatiiviset mallit paljastavat, että paksun, matalan -wattitiheyden-lämmittimen lämpöväsymisikä on 50 000-100 000 jaksoa, kun taas ohut korkean wattitiheyden lämmitin epäonnistuu 10 000-20 000 syklin pidempään. matalan wattitiheyden suunnittelu.

Wattitiheyteen ja seinämän paksuuteen liittyvä lämpöväsymismekanismi
Lämpöväsymishalkeamia syntyy, kun sykliset lämpökuormat ylittävät materiaalin kestävyysrajan. Jännitysamplitudi on verrannollinen lämpötilan vaihteluun (ΔT_cycle) ja lämpötilagradienttiin seinän poikki (ΔT_wall). Tietyllä lämpövuolla (wattitiheys) vaipan lämpötilan nousu nesteen lämpötilan yläpuolelle määritellään ΔT vaippa=q / h, jossa q on wattitiheys ja h on lämmönsiirtokerroin. Vedelle ytimien kiehumislämpötilassa h ≈ 5 000-10 000 W/m 2 K. 5 W/cm 2 (50 000 W/m 2 ) ΔT vaippa=50 000/7 500 ≈ 7 astetta . 15 W/²,0²): ΔT_sheath=150,000 / 7500 ≈ 20 astetta . Suurempi wattitiheys johtaa korkeampaan vaipan lämpötilaan ja nostaa lämpötilaeroa seinän poikki. Lämpöjännitys $\\sigma_{th} \\propto \\Delta T_{sheath}$ ja riippuu myös seinämän paksuudesta Biot-luvun kautta. Ohuilla seinillä kaltevuus on jyrkempi ja syntyy suurempia paikallisia jännityksiä. Korkeampi vaipan lämpötila ja suurempi gradientti ohuissa, suuren -wattitiheyden lämmittimissä lyhentävät huomattavasti väsymisikää.

Lämpöväsymysikä mitattuna wattitiheyden ja seinämän paksuuden funktiona
Seinän paksuus (mm) Wattitiheys (W/cm2) Vaipan lämpötila (C) vedelle @ 100 C ΔT seinän poikki (C) Syklinen muovivenymä (µε) Lämpöväsymiskesto (syklit epäonnistumiseen) Suhteellinen käyttöikä 1.2 5 107 2 20 > 100,000 10× {{5}× {{5} [
Opas wattitiheyden ja seinämän paksuuden valitsemiseen käyttöiän perusteella
Käyttö- ja lämpökiertonopeus Vaaditut jaksot (käyttövuodet) Suositeltu seinä (mm) Suositeltu maksimi wattitiheys (W/cm2) Odotettu väsymisikä (jaksot)
Jatkuva käyttö (ei pyöräilyä) Ei käytössä 1.5 15 > 100 000 (lämpöpyöräily ei ole rajoitus)
Harvinainen pyöräily (1 sykli/päivä, 350 sykliä/vuosi, 10 vuotta=3,500 sykliä) 5,000 1.5 15 8, 000 (sallittu)
Kohtuullinen pyöräily (5 sykliä/päivä, 1 800/vuosi, 10 vuotta=18 000 sykliä) 20, 000 1.5 8 40 000 (hyväksyttävä)
Toistuva pyöräily (10 sykliä/päivä, 3 600/vuosi, 10 vuotta=36 000 sykliä) 40, 000 2.0 6 60 000 (hyväksyttävä)
Vakava pyöräily (20 sykliä/päivä, 7 200/vuosi, 5 vuotta=36 000 sykliä) 40, 000 2.5 5 50 000 (hyväksyttävä)
Extreme cycling (50 cycles/day, fast on/off) > 50,000 2.5 4 >100 000 (käytä matalaa wattitiheyttä)
Lämmittimen tekniset tiedot
Pitkää lämpöväsymisikää vaativissa sovelluksissa (> 50 000 sykliä) paksu seinä (2,0-2,5 mm) ja matala wattitiheys (3-5 W/cm2) ovat välttämättömiä. Paksu seinä jakaa lämpöjännityksen suuremmalle poikkileikkaukselle ja vähentää siten pinnan maksimijännitystä. Matala wattitiheys vähentää lämpötilan vaihtelua ja lämpögradienttia, joten vaipan lämpötila on alhainen. Tämä asioiden yhdistelmä vähentää lämmittimen tehotiheyttä (tarvitset enemmän pinta-alaa saadaksesi saman tehon irti), mutta lisääntynyt käyttöikä usein korvaa lämmittimen suuremman koon. Esimerkiksi 10 kW:n lämmitin teholla 15 W/cm² tarvitsee pinta-alan 667 cm². Sama lämmitin tarvitsee 2000 cm² teholla 5 W/cm², kolminkertainen pinta-ala. Pienen watin tiheyden omaavan lämmittimen käyttöikä on kuitenkin 5-10 kertaa pidempi tiukassa syklikäytössä. Tärkeissä sovelluksissa, joissa lämmittimen vika aiheuttaa kalliita seisokkeja, suurempi, pienempi wattitiheys lämmitin on kustannustehokkaampi koko laitteen käyttöiän.

Johtopäätös: paksu (2,5 mm) + alhainen wattitiheys (5 W/cm2) 10X ohuen (1,2 mm) väsymisikä + korkea wattitiheys (15 W/cm2)
Thick titanium heaters (2.5 mm wall) at low watt density (5 W/cm^2) have a thermal fatigue life of ~50,000 cycles, while thin heaters (1.2 mm wall) at high watt density (15 W/cm^2) have a life of ~5,000-12,000 cycles-a factor of 4-10 longer life for the thick, low-watt-density design. The reason for the longer life is the lower sheath temperature (107°C vs. 120°C), smaller temperature gradient across the wall (5°C vs. 15°C) and lower cyclic plastic strain (35 µε vs. 250 µε). For applications with frequent thermal cycling (>5 sykliä päivässä, > 1 800 sykliä vuodessa), paksuseinämäinen lämmitin (2,0-2,5 mm) ja matala wattitiheys (3-6 W/cm²) on suositeltavaa varmistaa 10+ vuoden käyttöiän. Kun määritetään titaanilämmitintä sykliseen lämpökäyttöön, toimittajalle tulee ilmoittaa arvioitu lämpöjaksojen määrä päivässä ja tarvittava käyttöikä, jotta voidaan valita oikea seinämän paksuus ja wattitiheys, jotta vältetään ennenaikainen lämpöväsymisvika.