2,5 mm Kalınlığında Titanyum Isıtıcı Duvarında 95 dereceden 20 dereceye kadar Suda Söndürme Sırasında Gelişen Kantitatif Termal Stres (MPa) Nedir?

Kalın-duvarlı bir titanyum ısıtıcının (2,5 mm) 95 dereceden 20 dereceye kadar suya söndürülmesinden sonra termal şok hasarından endişe duyan bir proses mühendisi, hızla soğutulan bir tüp için termal gerilim denkleminden duvarda oluşturulan niceliksel termal gerilimi belirleyebilir. Maksimum termal gerilim (σ th ) iç yüzeyde meydana gelir (dışarıdan hızlı soğuma varsayıldığında) ve şu şekilde verilir: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) Burada E elastik modüldür (110 GPa), termal genleşme katsayısıdır (8,6 × 10 -6 / derece), T Δ sıcaklık değişimidir (75 derece), ν Poisson oranıdır (0,34) ve f( ), Biot sayısına (soğuma hızı) bağlı bir geometri faktörüdür. Suda söndürülmüş kalın-duvarlı bir tüp (t=2.5 mm, OD=25 mm) için (h=1,000-5,000 W/m²K, Biot sayısı > 10) f( ) ≈ 1,0 (tam termal şok). Hesaplanan termal gerilim σ_th=(110 × 10 9 × 8,6 × 10 6 × 75) / (1 − 0,34)=(110e9 × 6,45e-4) / 0.66=(71 × 10 6) / 0.66=108 MPa'dır. Bu gerilim akma dayanımının (275 MPa) yaklaşık yüzde 39'u ve maksimum çekme dayanımının (345 MPa) yüzde 54'üdür. Akma dayanımının altındaki gerilimlerde tekrarlanan termal şoklar (100-1.000 döngü) nedeniyle termal yorulma çatlaması meydana gelebilir.

Söndürme Sırasında Termal Gerilmelerin Oluşum Mekanizması
Sıcak bir titanyum tüpü soğuk suya batırılırsa dış yüzey hızla soğur ve sıkışır. Sıcak kalan iç yüzey bu büzülmeye karşı koyar ve dış yüzeyi gergin, iç yüzeyi ise sıkıştırır (dışarıdan soğutulmuş bir tüp için). Yüksek ısı transfer katsayıları için (h > 5.000 W/m²K), söndürmenin ilk birkaç saniyesinde duvar kalınlığı boyunca sıcaklık farkı 2,5 mm'lik bir duvar için 30-50 derece olabilir. Termal gerilim, duvar boyunca anlık sıcaklık farkıyla ilişkilidir ve yaklaşık 0,3-0,5 $\\times$ $\\Delta T_{toplam}$ civarında maksimumdur. Hesaplanan 108 MPa, söndürme sırasındaki maksimum gerilimdir. Akma mukavemeti aşılırsa, plastik deformasyon meydana gelir ve soğuma sonrasında artık çekme gerilimleri mevcut olur, bu da gerilim korozyonu çatlamasına duyarlılığı artırır.

Duvar Kalınlığı ve Söndürme Şiddetinin Bir Fonksiyonu Olarak Termal Gerilimin Ölçülmesi
Duvar Kalınlığı t (mm) Söndürme Ortamı Isı Transfer Katsayısı h (W/m 2 K) Duvar Boyunca Maksimum ΔT (derece) Isıl Gerilim (MPa) Verimin %'si (275 MPa)Plastik Deformasyon Tehlikesi
1,5 Durgun su (hafif) 500 15 22 8%Yok 1,5 Çalkalanmış su 2,000 30 43 16%Yok
1,5 Söndürme (soğuk su) 5,000 45 65 24% Yok
2,0 Söndürme (soğuk su) %5,000 55 79 29 Yok 2,5 Söndürme (soğuk su) %5,000 65 108 39 Yok (elastik)
3,0 Söndürme (Soğuk su) %5,000 75 125 45 Yok (Elastik)
2,5 Buzlu su (0 derece , ΔT=95 derece ) 10,000 85 140 51% Verime yakın
3,0 Buzlu su (0 derece) 10000 100 165 60%Plastik deformasyon muhtemeldir
Termal Şok Yönetimine Yönelik Senaryo-Temelli Kılavuz
Çalışma Durumu ve Söndürme Tipi Et Kalınlığı (mm) Termal Gerilim (MPa) Çatlama RiskiÖnerilen Eylem:
Normal kapatma, havayla soğutma (yavaş) 1,5-3,0 < 10 Hiçbir şeySorun yok
Normal Kapatma, Suyla Durulama (Sıcak) 1.5-2.0 20-40 Yok Kabul Edilebilir
Acil durum söndürme (soğuk su, bir-bir kez) 2.5 108 Düşük (bir-bir kez) Kabul edilebilir. Etkinlik sonrası kontrolü.
Acil Durum Söndürme (buzlu su, tek olay) 2.5 140 Orta (yerel olarak esneyebilir)İnceleme için ısıtıcıyı çıkarın Çarpıklık kontrolü.
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) su soğutmalı Azaltılmış soğutma hızı.
Sık (günlük) söndürme Herhangi bir > 2,0 > 100 Yüksek (yorulma çatlaması) Söndürme yerine rampa soğutma (kontrollü hız) kullanın.
Quench from high temperature (>150 derece) 2,5 > 200 ŞiddetliTavsiye edilmez. Yavaş soğutma veya başka bir madde kullanın.
Söndürmenin- neden olduğu termal stresin mühendislikle azaltılması
Kalın-duvarlı titanyum ısıtıcılarda termal söndürme kaçınılmazdır ancak termal stresi azaltmaya yardımcı olan üç hafifletme yöntemi vardır. İlk azaltım, ılık söndürme suyunun kullanılmasıdır (40-50 derece vs. 20 derece). ΔT'nin 75 dereceden 45 dereceye düşürülmesi, termal gerilimi 108 MPa'dan 65 MPa'ya düşürür (%40 azalma), gerilim akmanın çok altındadır. İkinci azaltım ise söndürme süresini artırmak için çalkalanmış su yerine durgun su kullanmaktır (5.000 yerine h=500 W/m2K). Azaltılmış ısı transfer katsayısı, duvardaki sıcaklık gradyanını azaltarak 2,5 mm'lik bir duvar için tepe gerilimini 22 MPa'ya düşürür. Üçüncü hafifletme, su söndürmeden önce ısıtıcının havada önceden soğutulmasıdır. Havanın 95 dereceden 60 dereceye (10 dakika) soğutulması ve ardından söndürülmesi, ΔT'yi 75 dereceden 40 dereceye ve dolayısıyla termal stresi azaltır.

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 C Söndürme
2,5 mm kalınlığındaki Grade 2 titanyum ısıtıcı duvarı, 5.000 W/m2K (çalkalanmış su) ısı iletim katsayısı ile 95 dereceden 20 dereceye kadar suya söndürme sırasında yaklaşık 108 MPa'lık niceliksel bir termal gerilime maruz kalır. Bu gerilim, malzemenin akma dayanımının (275 MPa) %39'u ve maksimum çekme dayanımının (345 MPa) %54'üdür. Gerilme hala elastik aralıktadır, böylece tek bir söndürme plastik deformasyona veya hızlı bir arızaya neden olmaz. Tekrarlanan ısıyla söndürme (100-1.000 döngü), özellikle kaynaklarda, çiziklerde veya diğer stres yoğunlaştırıcılarda termal yorulma çatlamasına neden olabilir. Isıtıcı ömrünü uzatmak için ılık söndürme suyu (40-50 derece), durgun suda orta derecede soğutma ve söndürmeden önce havayla ön soğutma yapılması önerilir. Sık sık söndürmenin gerekli olduğu durumlarda, duvar kalınlığının 1,5-2,0 mm'ye düşürülmesi, termal gerilimi güvenli elastik aralık dahilinde 65-79 MPa'ya düşürür.