สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไทเทเนียมที่ทำงานในอ่างอโนไดซ์กรดโครมิก (CrO₃ 50 กรัม/ลิตร, 55 องศา) ความหนาของผนังสูงสุดที่ยอมให้รักษาการถ่ายเทความร้อนที่ 20 kW/m² คือเท่าใด

การแลกเปลี่ยนขั้นพื้นฐาน-ในการออกแบบเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับการทำอโนไดซ์กรดโครมิก
การทำอโนไดซ์ด้วยกรดโครมิกเป็นวิธีการทางเคมีไฟฟ้าที่ใช้ในการผลิตสารเคลือบออกไซด์ป้องกันบนส่วนประกอบอลูมิเนียมการบินและอวกาศ โดยปกติอ่างจะประกอบด้วยโครเมียมไตรออกไซด์ (CrO₃) 50 กรัม/ลิตร ที่ 55 องศา และใช้เครื่องทำความร้อนแบบแช่ไทเทเนียมเพื่อรักษาอุณหภูมิในระหว่างรอบการชุบอโนไดซ์ กรดโครมิกเป็นสารออกซิแดนท์ที่ทรงพลังและทำให้ไททาเนียมผ่านความร้อนได้ง่าย ซึ่งให้ความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี อย่างไรก็ตาม อ่างจะไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และเครื่องทำความร้อนจะต้องมีฟลักซ์ความร้อนประมาณ 20 kW/m2 (2.0 W/cm2) เพื่อรักษาสภาพของกระบวนการ ข้อจำกัดในการออกแบบที่สำคัญไม่ใช่การกัดกร่อน แต่เป็นประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน กรดโครมิกมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่ามากและมีความหนืดสูงกว่ามากเมื่อเทียบกับน้ำ ทำให้เกิดชั้นขอบเขตหนาบนพื้นผิวเครื่องทำความร้อน ความหนาของผนังเปลือกไทเทเนียมทำให้เกิดความต้านทานไฟฟ้าต่อชั้นขอบเขตนี้ ความหนาของผนังที่เพิ่มขึ้นจะลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม และต้องใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นขององค์ประกอบความร้อน (ลดประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและอายุการใช้งานของฉนวน MgO) หรือพื้นที่ผิวเครื่องทำความร้อนมากขึ้น (เพิ่มต้นทุนและขนาดถัง) ในการวิเคราะห์นี้ ความหนาของผนัง Ti สูงสุดที่อนุญาตถูกกำหนดไว้เพื่อรักษาการไหลของความร้อนไว้ที่ 20 kW/m2 โดยไม่เกินอุณหภูมิลวดด้านในที่ต้องการที่ 400C สำหรับเครื่องทำความร้อนที่หุ้มฉนวน MgO และไม่ทำให้เกิดการเดือดเฉพาะที่หรือการสลายตัวของกรดโครมิกที่พื้นผิวของปลอก

ผลต่อความสมบูรณ์ทางกล: ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการกัดกร่อนของกรดโครมิก
ไทเทเนียมเกรด 2 ต้านทานกรดโครมิกที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิทั้งหมดจนถึงจุดเดือด พลังออกซิไดซ์ของ Cr(VI) ทำให้เกิดการเคลือบแบบพาสซีฟที่มีความหนาและเสถียร (TiO2 ที่เสริมด้วยโครเมียม) โดยมีอัตราการกัดกร่อน < 0.005 มม./ปี การโจมตีแบบเฉพาะจุดไม่ได้เกิดจากกรดโครมิก เหมือนกับที่เกิดขึ้นกับอ่างที่มีคลอไรด์เมื่อเกิดรูพรุน ความหนาของผนังขั้นต่ำเพื่อความสมบูรณ์ทางกล (การจัดการ แรงกด และความเค้นในการติดตั้ง) คือ 0.8 มม. สำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 25 มม. การทำให้ผนังหนาขึ้นไม่ได้ช่วยเรื่องการกัดกร่อนเพราะชั้นพาสซีฟมีความเสถียรและเป็นเนื้อเดียวกันอยู่แล้ว ดังนั้น การใช้ผนังที่หนาขึ้นจึงเป็นเพียงการประนีประนอมระหว่างความแข็งแรงเชิงกล (เช่น ความต้านทานต่อแรงกระแทกจากชิ้นงานอะลูมิเนียม) และสมรรถนะด้านความร้อน ในอ่างอโนไดซ์กรดโครมิก กรณีของผนังขนาดใหญ่ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาอย่างดีในแง่กลไก หากมีการควบคุมการเข้าถังและการจัดการชิ้นงานด้วยความระมัดระวัง สำหรับท่อที่มีปริมาณงานสูงซึ่งเครื่องทำความร้อนอาจถูกกระแทกโดยชั้นวางหรือชิ้นส่วน ความหนาของผนังปานกลาง (1.2-1.5 มม.) ให้ความต้านทานแรงกระแทกโดยไม่มีการลดทอนความร้อนอย่างรุนแรง

ผลกระทบต่อประสิทธิภาพความร้อน ความต้านทานการนำไฟฟ้า และขีดจำกัดฟลักซ์ความร้อน
สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มไทเทเนียมที่มีความหนาแน่นของพลังงาน 20 kW/m^2 (2.0 W/cm^2) ถึงอ่างกรดโครมิก 55 องศา ความแตกต่างของอุณหภูมิรวมจากลวดต้านทานภายในไปยังอ่างขนาดใหญ่คือผลรวมของความต้านทานสี่ค่า: (1) สายภายใน-ถึง-ส่วนต่อประสาน MgO, (2) เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าผ่านฉนวน MgO, (3) เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าผ่านผนังไทเทเนียม และ (4) การพาความร้อนเข้าไปใน กรดโครมิก ฉนวน MgO จำกัดอุณหภูมิสายไฟไว้ที่ 400 องศา เพื่ออายุการใช้งานที่ยาวนาน ความต้านทานไฟฟ้าที่ตัดผ่านผนังไทเทเนียมคือ ΔT_Ti=q × t / k_Ti โดยมี k_Ti γ 17 W/m·K ที่ 55 องศา สำหรับผนัง 1.0 มม. ΔT_Ti=(20,000 W/m² × 0.001 m) / 17 W/m·K=1.18 องศา ΔT_Ti=2.35 องศาสำหรับผนังหนา 2.0 มม. ความต้านทานการพาความร้อนในอ่างกรดโครมิกมีค่ามากกว่าอย่างมาก คือ ΔT_conv=q/h โดยที่ h คือสัมประสิทธิ์การพาความร้อนของการพาความร้อน สำหรับอ่างอโนไดซ์ทั่วไปที่มีความปั่นป่วนปานกลาง (0.3 ถึง 0.5 ม./วินาที ไหลผ่านเครื่องทำความร้อน) ชั่วโมง อยู่ที่ 400 ถึง 600 วัตต์/ม.2K สำหรับชั่วโมง=500 W/m2K, ΔTconv=20,000 / 500=40 องศา อุณหภูมิโดยรวมที่ลดลงจากพื้นผิวด้านนอกของไทเทเนียมไปยังอ่างขนาดใหญ่คือ 40 องศา แต่การตกผ่านผนังไทเทเนียมมีเพียง 1.2–2.4 องศาเท่านั้น ดังนั้นความต้านทานความร้อนของผนังไทเทเนียมจึงอยู่ที่ประมาณ 3-6% ของความต้านทานความร้อนทั้งหมด กลไกที่มีอำนาจเหนือกว่าคือชั้นขอบเขตการพาความร้อนและฉนวน MgO การเพิ่มความหนาของผนังจาก 1.0 มม. เป็น 2.0 มม. จะทำให้อุณหภูมิของสายไฟที่ต้องการเพิ่มขึ้นประมาณ 1.2 องศา ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์นี้สันนิษฐานว่าอุณหภูมิพื้นผิวด้านนอกน้อยกว่าจุดเดือดของอ่างกรดโครมิก (ประมาณ 105 องศาที่ความดันบรรยากาศสำหรับองค์ประกอบนี้) สำหรับ h=500 อุณหภูมิพื้นผิวคือ T_surface=T_bulk + ΔT_conv=55 องศา + 40 องศา=95 องศา ซึ่งอยู่ต่ำกว่าจุดเดือดมาก ดังนั้นจึงไม่มีไอระเหยเกิดขึ้น T_surface เพิ่มขึ้นเป็น 96.2 องศา แม้จะมีผนัง 2.0 มม. ก็ยังปลอดภัย ดังนั้น จากมุมมองการส่งผ่านความร้อนบริสุทธิ์ ความหนาของผนังจึงไม่มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานที่ 20 kW/m²

แลกเปลี่ยน-การสังเคราะห์: ความหนาของผนังสูงสุดที่อนุญาต
เมทริกซ์ต่อไปนี้ให้ความหนาสูงสุดที่อนุญาตของผนังไทเทเนียมสำหรับอ่างอโนไดซ์กรดโครมิก (50 กรัม/ลิตร CrO3, 55 องศา ) ที่ฟลักซ์ความร้อน 20 kW/m2 เพื่อรักษาอุณหภูมิพื้นผิวด้านนอกให้ต่ำกว่า 100 องศา (เพื่อหลีกเลี่ยงการเดือดเฉพาะที่และการสลายตัวของกรดโครมิก) และอุณหภูมิของลวดด้านในต่ำกว่า 400 องศา (เพื่อป้องกันฉนวน MgO)

ความหนาของผนัง (มม.) ระดับการกวน (h, W/m2K) อุณหภูมิพื้นผิวด้านนอก (C) อุณหภูมิลวดด้านใน (C) ค่าสูงสุดที่อนุญาต? ปัจจัยควบคุม
0.8 มม. แย่ (h=300) 55 + 66.7=121.7 องศา 121.7 + (0.8*20/17)=122.6 องศา ไม่มีจุดเดือดที่พื้นผิว (สูงกว่า 100 องศา )
0.8 มม. ปานกลาง (h=500) 55 + 40=95 องศา 95 + 0.94=95.9 องศา ใช่ ไม่มี – อยู่ในข้อจำกัด
0.8 มม. ดี (h=800) 55 + 25=80 องศา 80 + 0.94=80.9 องศา ใช่ อัตรากำไรขั้นต้นดีเยี่ยม
1.5 มม. ปานกลาง (h=500) 95 องศา 95 + (1.5×20/17)=96.8 องศา ใช่ ยอมรับได้
2.0 มม. ปานกลาง (h=500) 95 องศา 95 + (2.0×20/17)=97.4 องศา ใช่ ยอมรับได้
2.5 มม. ปานกลาง (h=500) 95 องศา 95 + (2.5×20/17)=97.9 องศา ใช่ ยอมรับได้ แต่ไม่จำเป็น
3.0 มม. แย่ (h=300) 121.7 องศา 121.7 + (3.0×20/17)=125.2 องศา ไม่มีจุดเดือดที่พื้นผิว, อุณหภูมิลวดเกิน
ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าสำหรับอ่างที่มีก้นปั่น- (h > 500 วัตต์/ตร.ม.·K) ความหนาของผนังสูงสุดอย่างน้อย 2.5 มม. สามารถทนต่อความร้อนได้เนื่องจากความต้านทานการพาความร้อนมีมากกว่า แม้แต่ในอ่างที่มีการปั่นป่วนไม่ดี (h=300) ผนัง 0.8 มม. ส่งผลให้พื้นผิวเดือดเนื่องจากการพาความร้อน ΔT ที่ 66.7 องศา ทำให้พื้นผิวสูงขึ้นเป็น 121.7 องศา ในสถานการณ์เช่นนี้ วิธีแก้ไขไม่ใช่การเปลี่ยนความหนาของผนัง แต่เพื่อเพิ่มความปั่นป่วนหรือลดการไหลของความร้อน ในทางความร้อน ความหนาของผนังที่อนุญาตสูงสุดนั้นไม่จำกัด โดยพื้นฐานแล้วทำให้เกิดความปั่นป่วนที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดในการผลิตในทางปฏิบัติ (การดัดท่อ การเชื่อม และต้นทุน) จะจำกัดความหนาไว้ที่ 2.0–2.5 มม. สำหรับการออกแบบเครื่องทำความร้อนส่วนใหญ่

วิศวกรรมนอกกำแพง: ปรับปรุงความปั่นป่วนและลดฟลักซ์ความร้อน
เนื่องจากชั้นขอบเขตการพาความร้อนเป็นความต้านทานความร้อนหลักในอ่างอโนไดซ์กรดโครมิก กลยุทธ์ที่ดีที่สุดในการรักษาการถ่ายเทความร้อนที่ 20 kW/m2 สำหรับความหนาของผนังใดๆ ก็คือการส่งเสริมให้เกิดการปั่นป่วนในอ่างอาบน้ำอย่างเพียงพอ สำหรับปั๊มหมุนเวียนที่บังคับให้ไหลเหนือพื้นผิวเครื่องทำความร้อนด้วยความเร็ว 0.5–1.0 ม./วินาที สามารถเพิ่ม h เป็น 600–800 W/m2K, ΔTconv ลดลงเหลือ 25–33 องศา และพื้นผิวด้านนอกยังคงอยู่ต่ำกว่า 90 องศา แม้จะมีความหนาของผนัง 2.0 มม. หากไม่สามารถปรับปรุงความปั่นป่วนได้ การลดฟลักซ์ความร้อนที่จำเป็นก็เป็นไปได้ เส้นอโนไดซ์หลายเส้นทำงานที่ 15 kW/m$^2$ (1.5 W/cm$^2$) โดยมีเวลาในการให้ความร้อนนานกว่า- ซึ่งช่วยลด $\\Delta T_{conv}$ เหลือ 30$^{\\circ}$C ที่ $h$=500 และช่วยให้ผนังหนาขึ้นโดยไม่ทำให้พื้นผิวเดือด มีความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างฟลักซ์ความร้อนและความหนาของผนังที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น หากต้องการใช้ผนัง 2.5 มม. ที่มีการผสมไม่ดี (h=300) ฟลักซ์ความร้อนจะต้องลดลงเหลือประมาณ 12 kW/m² เพื่อรักษาพื้นผิวด้านนอกให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า 100 องศา ค่าวรรณกรรมสำหรับ h ในกรดโครมิกจะขึ้นอยู่กับการออกแบบถังและการโหลดชิ้นงาน ดังนั้นวิศวกรกระบวนการควรทดสอบค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจริงด้วยเทอร์โมคัปเปิลบนพื้นผิวเครื่องทำความร้อนระหว่างการทดสอบการเดินเครื่อง

สรุป: ความหนาของผนังไม่ค่อยมีข้อจำกัด – ความปั่นป่วนและฟลักซ์ความร้อนเป็นขีดจำกัดที่แท้จริง
สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไทเทเนียมในอ่างอโนไดซ์กรดโครมิก (50 กรัม/ลิตร CrO₃, 55 องศา ) ที่ฟลักซ์ความร้อน 20 kW/m² ความหนาของผนังสูงสุดที่อนุญาตนั้นแทบจะไม่จำกัดจากมุมมองของความร้อน เมื่ออ่างถูกปั่นอย่างเพียงพอ (h มากกว่าหรือเท่ากับ 500 วัตต์/m²·K) สำหรับผนังที่มีความหนา 2.0 มม. ความต้านทานไฟฟ้าของผนังไทเทเนียมจะมีค่าน้อยกว่า 2.5 องศา C ถึงการลดอุณหภูมิรวม ความต้านทานความร้อนหลักคือชั้นขอบเขตการพาความร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับการกวนของอ่างอาบน้ำและไม่ขึ้นอยู่กับความหนาของผนัง เมื่ออ่างถูกกวนไม่เพียงพอ (h=300 W/m²·K) ผนังขนาด 0.8 มม. ก็เพียงพอที่จะกระตุ้นให้พื้นผิวเดือดเนื่องจากการพาความร้อน ΔT ที่ 66.7 องศามีขนาดใหญ่กว่าขอบจุดเดือด วิธีแก้ไขในกรณีดังกล่าวไม่ใช่การระบุผนังที่บางลง แต่เพื่อปรับปรุงความปั่นป่วนหรือจำกัดการไหลของความร้อน สำหรับสายการผลิตอโนไดซ์ส่วนใหญ่ที่มีความปั่นป่วนปานกลาง ความหนาของผนังไทเทเนียม 1.2-1.5 มม. จะให้ความทนทานทางกล (ความต้านทานต่อแรงกระแทกโดยไม่ได้ตั้งใจจากชิ้นส่วนอะลูมิเนียม) และประสิทธิภาพด้านความร้อนได้ดี ไม่มีข้อได้เปรียบด้านความร้อนจากการใช้ผนังที่หนากว่า 2.0 มม. และราคาและน้ำหนักของวัสดุเพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็น เกณฑ์สำคัญในการกำหนดเครื่องทำความร้อนสำหรับการอโนไดซ์ด้วยกรดโครมิกไม่ใช่ความหนาของผนัง แต่จำเป็นต้องมีฟลักซ์ความร้อน (kW/m²) และความเร็วการไหลที่คาดการณ์ไว้เมื่อผ่านเครื่องทำความร้อน (m/s) แจ้งตัวเลขเหล่านี้แก่ผู้ผลิตเพื่อยืนยันค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน ให้ความหนาของผนัง 1.2-1.5 มม. เป็นค่าเริ่มต้นที่คุ้มต้นทุนซึ่งตรงตามมาตรฐานทางกลและความร้อน