Voor een verwarming met titanium mantel die permanent is ondergedompeld in een stromende rivierwaterinlaat (totaal opgeloste vaste stoffen 300 ppm, pH 7,2, 25 graden), wat is de minimale wanddikte om cavitatie van een pomp in de buurt te weerstaan?

De fundamentele afweging tussen titaniumverwarmers voor pomp-geïnduceerde cavitatie
Pompen in rivierwaterinlaatstructuren transporteren het water naar zuiveringsinstallaties of industriële koelsystemen. Soms worden verwarmingselementen met titaniummantel geplaatst om bevriezing te voorkomen of om minimale temperaturen te handhaven. Als de verwarmer zich dicht bij de inlaat of afvoer van de pomp bevindt, is deze gevoelig voor cavitatie, wat de productie en snelle ineenstorting van dampbellen in bewegend water is. Cavitatie produceert plaatselijke schokdrukken van meer dan 1000 bar en micro-jets met snelheden tot 100 m/s. Dit resulteert in een slijtage van titaniumoppervlakken door een vermoeidheidsmechanisme. De minimale wanddikte om cavitatie-erosie te weerstaan, is een functie van de cavitatie-intensiteit (functie van het pompontwerp en de stroomsnelheid) en de titaniumweerstand tegen cyclische belasting. De wanddikte zorgt voor een opofferingslaag die vóór perforatie kan verslechteren. Deze analyse identificeert de minimale wanddikte die nodig is voor cavitatieomstandigheden in gewone rivierwaterpompstations.

Effect op mechanische integriteit: cavitatie-erosiemechanisme
Wanneer de plaatselijke druk onder de dampdruk van water komt, vindt cavitatie plaats en worden dampbellen gevormd. Deze bellen storten vervolgens snel in wanneer ze gebieden met hogere druk tegenkomen. De instortende bel produceert een micro-straal met een snelheid van 50-150 m/s die inslaat op het aangrenzende oppervlak. Het cumulatieve effect van het instorten van miljoenen bellen per seconde leidt tot oppervlaktevermoeidheid, verharding van het werk en uiteindelijk materiaalverlies. De incubatieduur (tijd totdat waarneembaar gewichtsverlies begint) voor graad 2 titanium is afhankelijk van de cavitatiesterkte, uitgedrukt door het cavitatiegetal σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Hoe lager de σ, hoe intenser de cavitatie.

De normale stroomsnelheden bij de inname van rivierwater bedragen 2–4 m/s ter plaatse van de heater. Het cavitatiegetal ligt tussen 0,3 en 1,0, wat duidt op matige tot ernstige cavitatie. De cavitatie-erosiesnelheid van titanium van klasse 2 bedraagt ​​onder deze omstandigheden 0,2–0,8 mm per jaar na incubatie. De incubatietijd zelf is 100-500 uur. Er wordt materiaal verwijderd, en vervolgens in een constant tempo verwijderd.

Effect op thermische prestaties: stroomsnelheid en erosiesnelheid
De snelheid van cavitatie-erosie schaalt met een snelheid tot de macht 4-6 (extreem gevoelig). De erosiesnelheid neemt af met een factor 16–64 als de stroomsnelheid wordt verlaagd van 4 m/s naar 2 m/s. De wanddikte heeft geen invloed op de erosiesnelheid; deze bepaalt alleen hoe lang de verwarmer overleeft nadat de erosie is begonnen. De thermische prestaties (warmteoverdrachtscoëfficiënt) worden verbeterd naarmate de stroomsnelheid stijgt, wat in strijd is. Een hogere snelheid verbetert de verwarmingsefficiëntie, maar verhoogt de cavitatie-erosie aanzienlijk.

Minimale wanddikte 10-Jaarlevensduur Synthese van afweging
Stroomsnelheid bij verwarming (m/sec) Cavitatiegetal (σ) Erosiesnelheid (mm/jaar) Aanbevolen muur (met veiligheidsfactor) Minimale muur voor levensduur van 10 jaar (mm)
1.5 m/s >1,0 (cavitatie) 0.00 0.8 mm (structureel) 0,8 mm
0,8 (matig) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 millimeter
2,5 m/s 0,6 (matig) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/sec 0,4 (ernstig) 0.60 6.0 mm Niet praktisch 4,0 m/sec 0,3 (zeer ernstig) 1.50 15 mm Onmogelijk
Voor normale rivierwaterinlaten met stroomsnelheden van 1,5–2,0 m/s op de plaats van de verwarming (niet bij de directe pompingang) is een wand van 1,2–1,5 mm voldoende voor een levensduur van 10 jaar. Boven 2,5 m/s is de benodigde wanddikte onpraktisch en is een herontwerp vereist.

Techniek voorbij de muur: cavitatie voorkomen en de verwarming verplaatsen
De cavitatie-erosiesnelheid schaalt met de vierde macht van de snelheid of groter. Daarom is de beste aanpak om de verwarmer uit zones met hoge snelheid te verplaatsen. Lokaal wordt de snelheid teruggebracht tot<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.

Conclusie Een wand van 1,5 mm is voldoende voor typische omstandigheden (v Kleiner dan of gelijk aan 2,0 m/s)
De minimale wanddikte die nodig is om cavitatie van een nabijgelegen pomp te weerstaan ​​voor een verwarming met titaniummantel die permanent is ondergedompeld in een stromende rivierwaterinlaat van 25 graden met een totaal opgeloste vaste stoffen van 300 ppm en pH 7,2, is een functie van de lokale stroomsnelheid. Met een typische snelheid van 1,5-2,0 m/s (buiten de directe pompinlaat) heeft een 1,2-1,5 mm dikke wand van titanium van klasse 2 een levensduur van 10 jaar. Bij snelheden hoger dan 2,5 m/sec is een wanddikte van meer dan 3 mm noodzakelijk (onpraktisch voor verwarmingsbuizen) en moet de verwarmer worden verplaatst of afgeschermd met een schot of coating. Verwarmers voor rivierwaterinlaat moeten worden gespecificeerd met een titanium mantel van klasse 2, een wanddikte van 1,5 mm, op minstens 1 m afstand van elke pompinlaat of -uitlaat en indien mogelijk gemonteerd met een stroomrichtend schot. De fabrikant berekent het cavitatiegetal en de erosiesnelheid. Geef de verwachte stroomsnelheid op de locatie van de verwarmer (m/s) en de pompkarakteristieken op. Het voorkomen van cavitatie (snelheidsafname) is veel beter dan het vergroten van de wanddikte.