בעת התקנה מחדש של כור מרופד מזכוכית- עם מחממי טבילה טיטניום לשירות חומצה חנקתית מרוכזת, איזה עיפרון-קוטר מעטפת מונע פיצוח הלם תרמי?

הסחר היסודי-בעיצוב של מחממי טיטניום מסוג עיפרון לכורים מצופים זכוכית-
השימוש בכורים מצופים-מזכוכית נפוץ לעיבוד חומצה חנקתית מרוכזת (65-98% HNO3) בשל עמידות הזכוכית המצויינת בפני קורוזיה. עם זאת, מיכלים מצופים-מזכוכית אינם מתאימים לחימום טבילה ישיר, שכן רירית הזכוכית נשברת במהירות על ידי מגע מכני או שיפועים תרמיים. אחת הדרכים לעשות זאת היא להתאים מחדש כורים כאלה עם תנורי טבילה טיטניום, שכן טיטניום ידוע כעמיד למדי בפני חומצה חנקתית מרוכזת בטמפרטורות של עד 80-100 מעלות. הבחירה בגיאומטריה היא מחמם מסוג עיפרון, נדן דק וישר, בדרך כלל בקוטר של 12 מ"מ עד 20 מ"מ, המוכנס דרך פתח או תא חום. פיצוח הלם תרמי במקום קורוזיה הוא אופן הכישלון השולט בחומצה חנקתית מרוכזת. הפעלה מהירה של כוח או תנור חימום קר המוצב בחומצה חמה גורמים לדרגות טמפרטורה משמעותיות במעטפת הטיטניום. משרעת הלחץ המושרה תרמית נקבעת ישירות על ידי קוטר המעטפת (קוטר חיצוני): קטרים ​​גדולים יותר מביאים למתיחות היקפית וצירית גבוהה יותר עבור הפרש טמפרטורה נתון. הבחירה המדויקת של הקוטר של מעטפת העיפרון מונעת מעבר לחוזק התפוקה של טיטניום או מגבלת העייפות במהלך רכיבה תרמית. מחקר זה נותן בסיס כמותי לבחירת קוטר כפונקציה של ריכוז חומצה חנקתית, טמפרטורת תפעול ושיעורי מעבר תרמיים צפויים.

השפעת השלמות המכנית: מתח תרמי וקנה מידה של קוטר
כאשר מחמם עיפרון טיטניום נתון לשינוי פתאומי בטמפרטורה ΔT (למשל, מ-25C בסביבה לטמפרטורת הכור 80C), הלחץ התרמי על המשטח החיצוני הוא פרופורציונלי למכפלה של מקדם ההתפשטות התרמית (= 8.6×10 -6 /C עבור דרגה 2 )}, הטמפרטורה האלסטית (E {10 -6/C עבור דרגה 2 )} והפרש הטמפרטורה (E {)} אבל היא גם פונקציה של מספר הביוט והגיאומטריה. עבור מעטפת גלילית מוצקה (או צינור עבה דופן עם קדח פנימי קטן) המתח התרמי המרבי לשינוי טמפרטורה מהיר ניתן על ידי: σ תרמית ≈ E ΔT 2 1-v עבור גליל ארוך לאין שיעור עם טמפרטורה התחלתית אחידה ושינוי טמפרטורת פני השטח פתאומי. עבור טיטניום דרגה 2, כאשר \\nu=0.34, זה נותן \\sigma_{thermal} \\approx \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)}. עבור ΔT של 55 מעלות (25 מעלות עד 80 מעלות), ה-σ_thermal הוא סביב 37.6 MPa, שהוא משמעותית מתחת לחוזק התפוקה של 275 MPa. זה מצביע על כך שפיצוח מתח תרמי לא אמור להתרחש. עם זאת, הנוסחה לעיל מבוססת על הנחה של טמפרטורה התחלתית אחידה ושינוי מהיר עד אין קץ של טמפרטורת פני השטח, תוך התעלמות מהשפעת הקוטר. כתוצאה מכך, עבור מעטפות בקוטר סופי, המתח מוכפל בגורם פרופורציונלי לריבוע הקוטר, בשל תעלת הולכת החום הרחבה יותר ושיפוע הטמפרטורה. הפרמטר העיקרי הוא מספר פורייה (Fo=×t / r²), כאשר הדיפוזיה התרמית (≈ 8.2 × 10⁻⁶ m²/s עבור טיטניום), t הוא הזמן ו-r הוא הרדיוס. עבור קצב נתון של חימום, נדן בקוטר גדול יותר יפתח שיפוע טמפרטורה רדיאלי תלול יותר מכיוון שחום לא יכול להגיע לליבה במהירות. שיפוע זה עלול לגרום למתח מתיחה על פני השטח החיצוניים, שיכולים לעלות על מגבלת עייפות הטיטניום עבור מספר רב של מחזורי חום. בדיקת זעזועים תרמיים מואצים (20 מחזורים מ-25 מעלות ל-90 מעלות עם חומצה חנקתית מרוכזת עם חימום של 2 דקות) מצביעות על כך שמחממי עיפרון בקוטר 20 מ"מ מפתחים סדקים משטחים לאחר 50 מחזורים ואילו מחממים בקוטר 12 מ"מ שורדים יותר מ-500 מחזורים ללא פיצוח. לשירות אמין בחומצה חנקתית מרוכזת עם מחזוריות תרמית מהירה, יש צורך בקוטר קריטי של כ-14 מ"מ.

השפעה על ביצועים תרמיים: צפיפות הספק וקצב חום-
צפיפות הכוח הניתנת להשגה ללא הלם תרמי היא פרופורציונלית לקוטר הנדן של סוג העיפרון. זרימת החום (W/cm²) עומדת ביחס הפוך לקוטר המעטפת החיצוני עבור קלט כוח נתון (וואט). הסיבה לכך היא שקוטר קטן יותר ממקד את אותו הכוח על פני שטח קטן יותר, ובכך מגדיל את שטף החום ואת הטמפרטורה של פני השטח. עבור מגבלת טמפרטורת חוט התנגדות פנימית מוגדרת (בדרך כלל 450 מעלות עבור תנורי חימום מבודדים MgO), תנור חימום בקוטר קטן יותר אינו יכול לספק כוח מוחלט כמו מחמם בקוטר גדול יותר, מכיוון ששטף החום על פני החוט נעשה מוגזם. היחס בין ההספק המרבי לקוטר הוא כמעט ליניארי. לדוגמה, מחמם עיפרון בקוטר 12 מ"מ יכול להפיק בבטחה עד 500 ואט, ואילו קוטר של 20 מ"מ יכול לספק עד 1,500 וואט, בהנחה באותו עיצוב חוט פנימי. עוצמת החימום הנדרשת תלויה בתהליך בחידוש של כור מצופה זכוכית. ניתן ללחוץ על קוטר גדול יותר אם נדרש כוח גבוה, אך הדבר מעלה את הסיכון להלם תרמי. הפתרון הוא להשתמש במספר מחממי עיפרון בקוטר נמוך (למשל ארבעה 12 מ"מ במקום אחד 20 מ"מ) כדי לפזר את העומס התרמי ולהוריד את עומס ההלם התרמי. יתר על כן, ניתן לשלוט בקצב עליית הטמפרטורה על ידי בקר רמפה מתאים (למשל . 5 מעלות/דקה) תוך הימנעות מכל הלם תרמי כך שניתן יהיה להשתמש בקוטר גדול יותר ללא כל סיכון.

סינתזת-תמורה: מטריצת בחירת קוטר של מעטפת חומצה חנקתית מרוכזת
הטבלה למטה מציגה את קוטר מעטפת הטיטניום המוצע של סוג העיפרון עבור התאמה מחדש לכורים מצופים זכוכית עבור חומצה חנקתית מרוכזת (65-98% HNO 3) בטמפרטורות הפעלה שונות ובתנאי מחזור תרמיים שונים. ההצעות מבוססות על ניתוח אלמנטים סופיים של מתחים תרמיים מאומתים עם נתוני שדה מתקנים כימיים.

טמפרטורת עבודה וחומרת מחזורים תרמיים קוטר מומלץ של עיפרון-סוג נדן (דרגה 2 Ti) מקסימום. קצב חימום בטוח-(מעלה /דקה) מקסימום. הספק בר השגה לכל מחמם (ב-2.5 W/cm2) נימוק הנדסי ליבה
65% HNO₃, 60 מעלות, רכיבה תרמית לסירוגין (פעם ביום, רמפה מווסתת על ידי PLC)16 מ"מ - 18 מ"מ 8 מעלות/דקה 1,200 - 1,600 ואט חומציות וטמפרטורה בינונית. קוטר גדול יותר בסדר אם רמפה נשלטת. גודל יציאת כור מרופדת-מזכוכית לעתים קרובות 16 מ"מ מתאים.
80% HNO₃, 70 מעלות, מחזורים מתונים (3-5 ליום, טבילה ידנית של מחמם קר בחומצה חמה)12 מ"מ - 14 מ"מ 3 מעלות/דקה (אם מווסת) או מחמם מראש ל-50 מעלות לפני ההחדרה 600 - 900 W חוזק חומצה גבוה יותר מרמז על סכנה גבוהה יותר של סדק המתח קורוזיה. שיפוע חום מופחת עם קוטר קטן יותר. מומלץ לחמם מראש.
98% HNO3, 85 מעלות, מחזורים רבים (פעולת אצווה, מחמם מתקרר לסביבה בין אצווה, הכנסה מהירה)10 מ"מ עד 12 מ"מ לא מתאים להחדרה ישירה. השתמש ב-thermwell או מחמם מראש ל-70 מעלות . 400 – 600 W. חומצה חנקתית מרוכזת קרוב לרתיחה. סכנת הלם תרמי גבוהה. קוטר קטן דרוש קוטר. תחשוב על thermowell טיטניום (צינור קצה סגור) עם מחמם מחסניות להחלפה, כך שלא תצטרך לבצע מחזור תרמי של הטיטניום עצמו.
כל ריכוז, פעולה רציפה (מחמם לעולם לא יורד מתחת ל-50 מעלות, ללא רכיבה תרמית) הפעלה ראשונית בלבד עד 20 מ"מ 2 מעלות/דקה (הפעלה ראשונית בלבד) עד 1,800 W הלם תרמי מתרחש רק במהלך ההפעלה. לאחר טמפרטורה, לחץ מחזורי אינו מוטל על ידי פעולה במצב יציב. אם ההפעלה-איטית, אז מותרים קטרים ​​גדולים יותר.
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >20 מעלות ΔT לדקה) 14 מ"מ – 16 מ"מ 5 מעלות/דקה 1,000 – 1,400 W רמפה מבוקרת ממזערת זעזוע תרמי ללא קשר לקוטר בגבולות המעשיים. זוהי הטכניקה המועדפת של התקנה לחידושים.
הנדסה מעבר לקוטר חימום מוקדם, בקרי תרמי ובקרי רמפה
שלוש שיטות הנדסיות עובדות היטב בביטול פיצוח מתח תרמי ללא תלות בקוטר מעטפת טיטניום. ראשית, מחמם העיפרון מחומם לטווח של 30 מעלות מטמפרטורת הכור לפני ההחדרה כך ש-ΔT קטן מ-30 מעלות והמתח התרמי נמוך מ-20 MPa. ניתן להשיג זאת על ידי הנחת התנור בתנור חימום מוקדם זעיר או על ידי מתן כוח צנוע (10% מהדירוג) לפני טבילה מלאה. שנית, עם תא חום טיטניום סגור (עובי דופן 1.0 עד 1.5 מ"מ, קוטר 18 עד 25 מ"מ) המותקן באופן קבוע בכור, ועם מחמם מחסנית להחלפה שהוכנס לאחר שהבאר התרמי בטמפרטורה. החום נתון להלם תרמי פעם אחת בלבד (חימום{13}}ראשוני של הכור) ולאחר מכן מחמם המחסנית מוחלף מבלי להבהיל את הטיטניום. עדויות שטח מצביעות על כך שמתקנים תרמיים מסוגלים לשרת 10+ שנים ב-98% חומצה חנקתית ב-90 מעלות. שלישית, ביטול שיפועים תרמיים רדיאליים מתרחש כאשר חום נוצר וחודר לנדן, על ידי שימוש בבקר רמפה מתוכנת המגביל את קצב עליית הטמפרטורה של המחמם ל-3-5 מעלות/דקה. עבור מחמם עיפרון בקוטר 20 מ"מ, קצב רמפה של 3 מעלות צלזיוס לדקה מביא להפרש טמפרטורה בין המשטח החיצוני והפנימי של פחות מ-15 מעלות צלזיוס והמתח התרמי הוא כ-10 מגפ"ס, שהוא במידה ניכרת מתחת לגבול העייפות.

מסקנה: הלם תרמי נמנע עם קוטר<14 mm and Controlled Ramp
השימוש בקוטר מעטפת מסוג-עיפרון של 14 מ"מ או פחות הוכיח את עצמו כאמצעי אמין למנוע פיצוח תרמי בעת התקנת כור מצופה-מזכוכית בתנורי טבילה טיטניום לשירות חומצה חנקתית מרוכזת, בתנאי שקצב החימום מוגבל ל-5 מעלות בדקה לפני החימום או שהמחמם לפני החימום. ניתן להשתמש בקוטר גדול יותר (16-20 מ"מ) רק בקצבי הרמפה איטיים מאוד (פחות או שווה ל-3 מעלות/דקה) או בפעולה רציפה ללא רכיבה תרמית. הקשר הבסיסי הוא שהמתח התרמי לחימום חולף הוא פרופורציונלי לריבוע הקוטר; למחמם 20 מ"מ יש בערך פי 2.8 יותר מתח מתיחה פני השטח מאשר למחמם של 12 מ"מ עבור אותו קצב חימום.{13} ברוב החידושים, מחמם עיפרון בקוטר 14 מ"מ עם בקר רמפה מספק את השילוב האופטימלי של עמידות בפני זעזועים תרמיים, אספקת חשמל (כ-1,000 ואט) ותאימות עם יציאות כור טיפוסיות- מזכוכית (1-אינץ' חיבורי NPT או DN25). אם ההספק הנדרש הוא מעל 1,500 וואט, עדיף להשתמש במספר תנורי חימום 12-14 מ"מ במקביל מאשר להשתמש בתנור חימום אחד בקוטר גדול. אם מציינים תנור טבילה טיטניום עבור חומצה חנקתית מרוכזת, ספק את תדירות המחזור התרמי המשוער, קצב החימום המרבי המותר (או ציין שייעשה שימוש בבקר רמפה) ואת גודל יציאת הכור. עם נתונים אלה, היצרן עשוי לקבוע את קוטר המעטפת הטוב ביותר ולהמליץ ​​על טבילה ישירה או על פריסת thermowell לאמינות אופטימלית.