ความเครียดจากความร้อนเชิงปริมาณ (MPa) คืออะไรที่พัฒนาขึ้นในผนังเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมหนา 2.5 มม. ในระหว่างการดับน้ำจากอุณหภูมิ 95 องศาถึง 20 องศา

วิศวกรกระบวนการกังวลเกี่ยวกับความเสียหายจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันต่อเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมที่มีผนังหนา- (2.5 มม.) หลังจากการดับน้ำจากอุณหภูมิ 95 องศาถึง 20 องศา สามารถระบุความเครียดจากความร้อนเชิงปริมาณที่สร้างขึ้นในผนังจากสมการความเครียดจากความร้อนสำหรับท่อที่มีการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ความเครียดจากความร้อนสูงสุด (σ th ) เกิดขึ้นที่พื้นผิวด้านใน (สมมติว่าเย็นลงอย่างรวดเร็วจากภายนอก) และกำหนดโดย: σ th=E × × T Δ 1 − vf( ) โดยที่ E คือโมดูลัสยืดหยุ่น (110 GPa) คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (8.6 × 10 -6 / องศา ), T Δ คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (75 องศา ), ν คืออัตราส่วนของปัวซอง (0.34) และ f( ) คือปัจจัยทางเรขาคณิตที่ขึ้นอยู่กับหมายเลข Biot (อัตราการทำความเย็น) สำหรับท่อที่มีผนังหนา- (t=2.5 มม., OD=25 มม.) ที่ดับแล้วในน้ำ (ชม.=1,000-5,000 วัตต์/m²K, หมายเลขไบโอต > 10) f( ) anta 1.0 (การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยฉับพลันโดยสมบูรณ์) ความเค้นจากความร้อนที่คำนวณได้คือ σ_th=(110 × 10 9 × 8.6 × 10 6 × 75) / (1 − 0.34)=(110e9 × 6.45e-4) / 0.66=(71 × 10 6) / 0.66=108 MPa ความเค้นนี้อยู่ที่ประมาณ 39 เปอร์เซ็นต์ของความแข็งแรงของผลผลิต (275 MPa) และ 54 เปอร์เซ็นต์ของความต้านทานแรงดึงสูงสุด (345 MPa) การแตกร้าวเมื่อยล้าจากความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันซ้ำๆ (100-1,000 รอบ) ที่ความเค้นต่ำกว่าค่าความแรงของคราก

กลไกการเกิดความเครียดจากความร้อนในระหว่างการชุบแข็ง
หากท่อไทเทเนียมร้อนจุ่มลงในน้ำเย็น พื้นผิวด้านนอกจะเย็นลงและบีบอัดอย่างรวดเร็ว พื้นผิวด้านในซึ่งยังคงร้อนอยู่ ต่อต้านการหดตัวนี้ ทำให้พื้นผิวด้านนอกเกิดความตึงและพื้นผิวด้านในมีการบีบอัด (สำหรับท่อระบายความร้อนจากภายนอก) สำหรับค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูง (h > 5,000 W/m²K) ความแตกต่างของอุณหภูมิตลอดความหนาของผนังอาจอยู่ที่ 30-50 องศา สำหรับผนัง 2.5 มม. ในช่วงสองสามวินาทีแรกของการดับ ความเครียดจากความร้อนสัมพันธ์กับความแตกต่างของอุณหภูมิชั่วขณะตรงข้ามผนัง และมีค่าสูงสุดประมาณ 0.3-0.5 $\\times$ $\\Delta T_{total}$ 108 MPa ที่คำนวณได้คือความเค้นสูงสุดระหว่างการดับ หากความแข็งแรงของผลผลิตเกิน การเปลี่ยนรูปพลาสติกจะเกิดขึ้นและเกิดความเค้นแรงดึงตกค้างหลังจากการเย็นตัวลง ซึ่งจะเพิ่มความอ่อนไหวต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น

การหาปริมาณความเครียดจากความร้อนโดยพิจารณาจากความหนาของผนังและความรุนแรงของการดับ
ความหนาของผนัง t (มม.) ดับ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนปานกลาง h (W/m 2 K) สูงสุด ΔT ข้ามผนัง ( องศา ) ความเครียดจากความร้อน (MPa) % ของผลผลิต (275 MPa) อันตรายจากการเสียรูปของพลาสติก
1.5 น้ำนิ่ง (อ่อน) 500 15 22 8% ไม่มี 1.5 น้ำปั่น 2,000 30 43 16% ไม่มี
1.5 ดับ (น้ำเย็น) 5,000 45 65 24% ไม่มี
2.0 การดับ (น้ำเย็น) 5,000 55 79 29% ไม่มี 2.5 การดับ (น้ำเย็น) 5,000 65 108 39% ไม่มี (ยืดหยุ่น)
3.0 การดับ (น้ำเย็น) 5,000 75 125 45% ไม่มี (ยืดหยุ่น)
2.5 น้ำน้ำแข็ง (0 องศา , ΔT=95 องศา ) 10,000 85 140 51% ใกล้เคียงกับผลผลิต
3.0 น้ำน้ำแข็ง (0 องศา ) 10000 100 165 60%มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนรูปพลาสติก
คู่มือสถานการณ์-ในการจัดการภาวะช็อกจากความร้อน
สภาพการใช้งานและประเภทการดับ ความหนาของผนัง (มม.) ความเครียดจากความร้อน (MPa) ความเสี่ยงในการแตกร้าว การดำเนินการที่แนะนำ:
เครื่องดับปกติ แอร์เย็น (ช้า) 1.5-3.0 < 10 ไม่มีอะไร ไม่มีปัญหา
การปิดระบบปกติ, การล้างด้วยน้ำ (อุ่น) 1.5-2.0 20-40 ยอมรับไม่ได้
การดับฉุกเฉิน (น้ำเย็น หนึ่งครั้ง-) 2.5 108 ต่ำ (หนึ่งครั้ง-) ยอมรับได้ การตรวจสอบหลังเหตุการณ์
การดับฉุกเฉิน (น้ำเย็นจัด เหตุการณ์เดียว) 2.5 140 ปานกลาง (อาจให้ผลเฉพาะที่) ถอดเครื่องทำความร้อนออกเพื่อตรวจสอบ ตรวจสอบความบิดเบี้ยว
2.5 108 Moderate (fatigue) Increase quench temperature (warm water) Repeated thermal cycles (>100) พร้อมดับน้ำ อัตราความเย็นลดลง
การดับบ่อยครั้ง (รายวัน) ใดๆ > 2.0 > 100 สูง (การแตกร้าวเมื่อยล้า) ใช้การระบายความร้อนทางลาด (อัตราที่ควบคุม) แทนการดับ
Quench from high temperature (>150 องศา ) 2.5 > 200 รุนแรง ไม่แนะนำ ใช้ความเย็นช้าหรือสารอื่นๆ
การบรรเทาทางวิศวกรรมของการดับ-ความเครียดจากความร้อนที่เหนี่ยวนำ
การดับด้วยความร้อนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้กับเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมที่มีผนังหนา- แต่มีวิธีบรรเทาสามประการที่ช่วยลดความเครียดจากความร้อน การบรรเทาผลกระทบขั้นแรกคือการใช้น้ำอุ่นดับ (40-50 องศา เทียบกับ. 20 องศา ) การลด ΔT จาก 75 องศาเป็น 45 องศาจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนจาก 108 MPa เป็น 65 MPa (ลดลง 40%) ซึ่งความเครียดต่ำกว่าผลผลิตมาก การบรรเทาผลกระทบประการที่สองคือการใช้น้ำนิ่งแทนน้ำปั่น (h=500 W/m2K แทน 5,000) เพื่อเพิ่มเวลาดับ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่ลดลงจะช่วยลดการไล่ระดับของอุณหภูมิผ่านผนัง โดยลดความเครียดสูงสุดลงเหลือ 22 MPa สำหรับผนัง 2.5 มม. การบรรเทาผลกระทบประการที่สามคือการระบายความร้อนของเครื่องทำความร้อนในอากาศก่อนการดับน้ำ การทำความเย็นในอากาศจาก 95 องศาถึง 60 องศา (10 นาที) ตามด้วยการดับจะช่วยลด ΔT จาก 75 องศาเป็น 40 องศา และด้วยเหตุนี้ความเครียดจากความร้อน

Conclusion: 2.5 mm Titanium Wall Sees 108 MPa Thermal Stress During 95 C ->20 องศาเซลเซียส ดับ
ผนังเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมเกรด 2 หนา 2.5 มม. ประสบกับความเครียดจากความร้อนเชิงปริมาณประมาณ 108 MPa ในระหว่างการดับน้ำตั้งแต่ 95 องศาถึง 20 องศา โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านความร้อน 5,000 W/m2K (น้ำปั่นป่วน) ความเค้นนี้คือ 39% ของความแข็งแรงของผลผลิตวัสดุ (275 MPa) และ 54% ของความต้านทานแรงดึงสูงสุด (345 MPa) แรงดึงยังอยู่ในช่วงยืดหยุ่น โดยที่การดับเพียงครั้งเดียวจะไม่ทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติกหรือความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว การดับความร้อนซ้ำๆ (100-1,000 รอบ) สามารถกระตุ้นให้เกิดการแตกร้าวเมื่อยล้าจากความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่รอยเชื่อม รอยขีดข่วน หรือตัวสร้างความเครียดอื่นๆ แนะนำให้ใช้น้ำอุ่นดับ (40-50 องศา) ระบายความร้อนปานกลางในน้ำนิ่งและระบายความร้อนด้วยอากาศก่อนดับเพื่อยืดอายุเครื่องทำความร้อน ในกรณีที่จำเป็นต้องมีการชุบแข็งบ่อยครั้ง การลดความหนาของผนังลงเหลือ 1.5-2.0 มม. จะช่วยลดความเครียดจากความร้อนลงเหลือ 65-79 MPa ซึ่งอยู่ในช่วงยืดหยุ่นที่ปลอดภัย