Za grijač od titanskog omotača koji je trajno uronjen u dovod vode koja teče (ukupno otopljene krute tvari 300 ppm, pH 7,2, 25 stupnjeva), koja je minimalna debljina stijenke da izdrži kavitaciju iz obližnje pumpe?

Temeljni kompromis u titanskim grijačima za-kavitaciju izazvanu pumpom
Pumpe u strukturama zahvata riječne vode prenose vodu u postrojenja za obradu ili industrijske rashladne sustave. Ponekad se grijači od titanovog omotača postavljaju kako bi se izbjeglo smrzavanje ili kako bi se održale minimalne temperature. Ako je grijač blizu ulaza ili ispusta crpke, sklon je kavitaciji, što je stvaranje i brzo kolapsiranje mjehurića pare u vodi koja se kreće. Kavitacija proizvodi lokalizirane udarne pritiske veće od 1000 bara i mikro-mlazeve s brzinama do 100 m/s. To rezultira trošenjem titanskih površina mehanizmom zamora. Minimalna debljina stijenke koja može izdržati kavitacijsku eroziju je funkcija intenziteta kavitacije (funkcija dizajna pumpe i brzine protoka) i otpornosti titana na cikličko opterećenje. Debljina stijenke osigurava žrtveni sloj koji se može pokvariti prije perforacije. Ova analiza identificira minimalnu debljinu stijenke potrebnu za uvjete kavitacije u uobičajenim crpnim stanicama za riječnu vodu.

Učinak na mehanički integritet: mehanizam kavitacijske erozije
Kada lokalni tlak padne ispod tlaka pare vode, dolazi do kavitacije i stvaranja mjehurića pare. Ti se mjehurići zatim brzo kolabiraju kada naiđu na područja višeg tlaka. Mjehurić koji se skuplja proizvodi mikro-mlaz pri 50-150 m/s koji udara o susjednu površinu. Kumulativni učinak milijuna kolapsa mjehurića svake sekunde dovodi do površinskog zamora, otvrdnjavanja i konačno gubitka materijala. Trajanje inkubacije (vrijeme do početka vidljivog gubitka težine) za titan 2. stupnja oslanja se na snagu kavitacije izraženu kavitacijskim brojem σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Što je niži σ, to je kavitacija intenzivnija.

Normalne brzine protoka u riječnim vodozahvatima su 2-4 m/s na mjestu grijača. Broj kavitacije je između 0,3 i 1,0 što označava umjerenu do jaku kavitaciju. Stopa kavitacijske erozije titana 2. stupnja pod ovim uvjetima iznosi 0,2–0,8 mm godišnje nakon inkubacije. Sam period inkubacije je 100-500 sati. Materijal se uklanja, a zatim uklanja konstantnom brzinom.

Učinak na toplinsku izvedbu: brzina protoka i stopa erozije
Stopa kavitacijske erozije skalira se brzinom na potenciju 4-6 (iznimno osjetljivo). Brzina erozije smanjuje se za faktor 16-64 ako se brzina protoka smanji s 4 m/s na 2 m/s. Debljina stijenke nema utjecaja na brzinu erozije - ona samo određuje koliko dugo grijač preživi nakon što erozija počne. Toplinska izvedba (koeficijent prijenosa topline) se poboljšava s povećanjem brzine protoka, što je u sukobu. Veća brzina povećava učinkovitost grijanja, ali znatno povećava kavitacijsku eroziju.

Minimalna debljina stijenke 10-godišnji život Sinteza kompromisa
Brzina protoka kod grijača (m/s) Broj kavitacije (σ) Stopa erozije (mm/godina) Preporučeni zid (sa sigurnosnim faktorom) Minimalni zid za 10 godina vijeka (mm)
1.5 m/s >1,0 (kavitacija) 0.00 0.8 mm (strukturalna) 0,8 mm
0,8 (umjereno) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 milimetra
2,5 m/s 0,6 (umjereno) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/s 0,4 (jako) 0.60 6.0 mm Nije praktično 4,0 m/s 0,3 (vrlo ozbiljno) 1.50 15 mm Nemoguće
Za normalne riječne vodozahvate s brzinama protoka od 1,5–2,0 m/s na mjestu grijača (ne na neposrednom ulazu crpke), stijenka od 1,2–1,5 mm dovoljna je za 10-godišnji vijek trajanja. Iznad 2,5 m/s potrebna debljina zida je nepraktična i potrebno je ponovno projektiranje.

Inženjering izvan zida: Sprječavanje kavitacije i pomicanje grijača
Stopa kavitacijske erozije skalira se s četvrtom potencijom brzine ili većom, stoga je najbolji pristup premjestiti grijač iz zona visoke brzine. Lokalno se brzina smanjuje na<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.

Zaključak 1,5 mm stijenke dovoljan je za tipične uvjete (v Manje od ili jednako 2,0 m/s)
Minimalna debljina stijenke koja je potrebna da se odupre kavitaciji iz obližnje pumpe za grijač od titanijskog omotača koji je trajno potopljen u tekući riječni vodozahvat na 25 stupnjeva s ukupnim otopljenim krutim tvarima 300 ppm i pH 7,2 funkcija je lokalne brzine protoka. Uz tipičnu brzinu od 1,5-2,0 m/s (izvan neposrednog ulaza crpke), stijenka debljine 1,2-1,5 mm od titana Grade 2 ima radni vijek od 10 godina. Tamo gdje su brzine veće od 2,5 m/s, potrebna je debljina stjenke veća od 3 mm (nepraktično za cijevi grijača), a grijač treba pomaknuti ili zaštititi pregradom ili premazom. Grijači za dovod riječne vode trebaju biti specificirani s titanskim omotačem 2. stupnja, debljine stjenke od 1,5 mm, udaljeni najmanje 1 m od bilo kojeg ulaza ili izlaza pumpe i montirani s pregradom za usmjeravanje protoka ako je to praktično. Proizvođač će izračunati broj kavitacije i stopu erozije. Navedite predviđenu brzinu protoka na mjestu grijača (m/s) i karakteristike crpke. Sprječavanje kavitacije (smanjenje brzine) daleko je bolje od povećanja debljine stijenke.