Hvad er den mindste vægtykkelse for at modstå kavitation fra en nærliggende pumpe for en titaniumskedevarmer, der er permanent nedsænket i et strømmende vandindtag (totalt opløste faste stoffer 300 ppm, pH 7,2, 25 grader)?

Den grundlæggende afvejning af titaniumvarmere til pumpe-induceret kavitation
Pumper i flodvandsindtagsstrukturer overfører vandet til renseanlæg eller industrielle kølesystemer. Nogle gange er titanium kappevarmere placeret for at undgå frysning eller for at opretholde minimale temperaturer. Hvis varmelegemet er tæt på pumpens indløb eller udløb, er det tilbøjeligt til kavitation, som er produktion og hurtig kollaps af dampbobler i vand i bevægelse. Kavitation producerer lokaliserede stødtryk større end 1.000 bar og mikro-stråler med hastigheder op til 100 m/s. Dette resulterer i et slid på titanium overflader af en træthedsmekanisme. Den minimale vægtykkelse til at modstå kavitationserosion er en funktion af kavitationsintensiteten (funktion af pumpedesignet og strømningshastigheden) og titaniummodstanden mod cyklisk belastning. Vægtykkelse giver et offerlag, der kan forringes før perforering. Denne analyse identificerer den mindste vægtykkelse, der er nødvendig for kavitationsforhold i almindelige flodvandspumpestationer.

Effekt på mekanisk integritet: Kavitationserosionsmekanisme
Når det lokale tryk kommer under vands damptryk, sker der kavitation, og der dannes dampbobler. Disse bobler kollapser derefter hurtigt, når de møder områder med højere tryk. Den kollapsende boble producerer en mikro-jet med 50-150 m/s, der påvirker den tilstødende overflade. Den kumulative effekt af millioner af bobler kollapser hvert sekund fører til overfladetræthed, hærdning af arbejdet og endelig materialetab. Inkubationsvarigheden (tiden indtil observerbart vægttab begynder) for grad 2 titanium afhænger af styrken af ​​kavitationen udtrykt ved kavitationstallet σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Jo lavere σ er, jo mere intens er kavitationen.

De normale strømningshastigheder i flodvandsindtag er 2-4 m/s ved varmelegemets placering. Kavitationstallet er mellem 0,3 og 1,0, hvilket indikerer moderat til svær kavitation. Kavitationserosionshastigheden for grad 2 titanium under disse forhold er 0,2-0,8 mm om året efter inkubation. Selve inkubationstiden er 100-500 timer. Materiale fjernes og fjernes derefter i konstant tempo.

Effekt på termisk ydeevne: Flowhastighed og erosionshastighed
Kavitationserosionshastighed skalerer med hastighed til styrken 4-6 (ekstremt følsom). Erosionshastigheden reduceres med en faktor på 16–64, hvis strømningshastigheden reduceres fra 4 m/s til 2 m/s. Vægtykkelsen har ingen indflydelse på erosionshastigheden - den bestemmer kun, hvor længe varmelegemet overlever efter erosionen starter. Den termiske ydeevne (varmeoverførselskoefficient) forbedres med stigningen i strømningshastigheden, som er i konflikt. Højere hastighed øger opvarmningseffektiviteten, men øger kavitationserosionen væsentligt.

Minimum vægtykkelse 10-levetidssyntese af afvejning
Strømningshastighed ved varmelegeme (m/sek.) Kavitationstal (σ) Erosionshastighed (mm/år) Anbefalet væg (med sikkerhedsfaktor) Minimum væg i 10 års levetid (mm)
1.5 m/s >1,0 (kavitation) 0.00 0.8 mm (strukturel) 0,8 mm
0,8 (moderat) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 millimeter
2,5 m/s 0,6 (moderat) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/sek 0,4 (alvorlig) 0.60 6.0 mm Ikke praktisk 4,0 m/sek. 0,3 (meget alvorlig) 1.50 15 mm Umuligt
For normale flodvandsindtag med strømningshastigheder på 1,5–2,0 m/s på varmeapparatets sted (ikke ved den umiddelbare pumpeindgang) er en 1,2–1,5 mm væg tilstrækkelig til en 10-årig levetid. Over 2,5 m/s er den nødvendige tykkelse på væggen upraktisk, og et omdesign er påkrævet.

Engineering Beyond the Wall: Forebyggelse af kavitation og flytning af varmeren
Kavitationserosionshastigheden skalerer med den fjerde potens af hastigheden eller større, derfor er den bedste fremgangsmåde at flytte varmeren ud af højhastighedszoner. Lokalt reduceres hastigheden til<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

Konklusion 1,5 mm væg er tilstrækkelig til typiske forhold (v Mindre end eller lig med 2,0 m/s)
Den mindste vægtykkelse, der kræves for at modstå kavitation fra en nærliggende pumpe for en titaniumkappevarmer permanent nedsænket i en strømmende flodvandindtag ved 25 grader med totalt opløste faste stoffer 300 ppm og pH 7,2 er en funktion af lokal strømningshastighed. Med en typisk hastighed på 1,5-2,0 m/s (uden for den umiddelbare pumpeindgang) har en 1,2-1,5 mm tyk væg af Grade 2 titanium en levetid på 10 år. Hvor hastigheder er mere end 2,5 m/sek., er vægtykkelse større end 3 mm nødvendig (upraktisk for varmerør), og varmelegemet skal flyttes eller afskærmes med en skærm eller belægning. Flodvandsindtagsvarmere skal specificeres med en grad 2 titaniumkappe, 1,5 mm vægtykkelse, mindst 1 m væk fra enhver pumpeindgang eller -udgang og monteret med en strømningsstyrende skærm, hvis det er praktisk muligt. Producenten vil beregne kavitationsnummeret og erosionshastigheden. Angiv den forventede strømningshastighed ved varmeapparatets placering (m/s) og pumpens karakteristika. Kavitationsforebyggelse (hastighedsfald) er langt bedre end at øge vægtykkelsen.