Kiedy tytanowy pręt grzejny jest używany do topienia trójskładnikowej soli azotanowej (NaNO₃-KNO₃-Ca(NO₃)₂) w temperaturze 400 stopni, w jaki sposób zawartość jonów wapnia modyfikuje szybkość odpryskiwania tlenku podczas cykli-rozmrażania?

Trójskładnikowe połączenia soli azotanowych z azotanem wapnia (Ca(NO3)2) są stosowane jako płyn przenoszący ciepło w systemach skoncentrowanej energii słonecznej i magazynowania energii cieplnej. W temperaturze 400 stopni sól jest stopiona i utlenia się. Tytanowe pręty grzejne tworzą ochronną warstwę dwutlenku tytanu (TiO₂). Jednakże podczas cykli zamrażania-rozmrażania (chłodzenia w celu zamrożenia soli, a następnie-ponownego podgrzewania) jony wapnia z soli łączą się z tlenkiem tytanu, tworząc tytanian wapnia (CaTiO 3 ) na powierzchni kamienia. Na przykład współczynnik rozszerzalności cieplnej tytanianu wapnia wynosi około 11-12 × 10-6 / stopień, dwutlenek tytanu ma wartość rozszerzalności cieplnej 7-8 × 10-6 / stopień, a tytan metaliczny 8,6 × 10-6 / stopień. Takie niedopasowanie powoduje odpryskiwanie podczas cykli termicznych. Im wyższa zawartość wapnia w mieszaninie soli, tym szybsze odpryskiwanie tlenku. Przy zawartości wapnia wynoszącej 20% w każdym cyklu zamrażania i rozmrażania usuwane jest 0,3–0,5 µm metalu, natomiast przy zawartości wapnia wynoszącej 5% usuwane jest tylko 0,05–0,10 µm.

Mechanizm-indukowanego przez wapń odpryskiwania tlenku podczas cykli termicznych

Jony Ca przenikają do kamienia TiO2, tworząc warstwę zewnętrzną bogatą w CaTiO3-podczas ekspozycji na stopioną sól w temperaturze 400oC. Warstwa CaTiO 3 kurczy się mniej podczas chłodzenia niż znajdująca się pod nią TiO 2 i tytan metaliczny ze względu na wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej. To niedopasowanie prowadzi do naprężeń rozciągających na styku. Naprężenia te powodują pękanie i odpryskiwanie zgorzeliny podczas krzepnięcia (zamrażania) i późniejszego ponownego-ogrzewania. Odpryskiwane fragmenty odsłaniają nowy tytan, który szybko się utlenia. Połączenie odpryskiwania tlenków i ponownego-utleniania powoduje usunięcie niewielkiej ilości tytanu podczas każdego cyklu zamrażania i rozmrażania. Szybkość odpryskiwania jest proporcjonalna do zawartości wapnia w soli i wielkości wahań temperatury.

Zawartość wapnia i liczba cykli a ilościowy współczynnik odpryskiwania

Kontrolowane badania tytanu stopnia 2 w trójskładnikowej soli azotanowej o różnej zawartości wapnia, poddanej 100 cyklom zamrażania-rozmrażania (25 stopni → 400 stopni → 25 stopni, 2-godziny przebywania w temperaturze), zostały wykorzystane do określenia szybkości odpryskiwania tlenków. Przy 0% wapnia (binarnej soli NaNO₃-KNO₃) odpryskiwanie tlenku wynosi 0,5-1,0 µm na 100 cykli, zgorzelina pozostaje przylegająca, a straty metalu są niskie. Miejscowe odpryskiwanie występuje w przypadku wad skali i przy 5% zawartości wapnia odpryskiwanie zwiększa się do 2-5 µm na 100 cykli. Odpryski wynoszą 8–15 µm/100 cykli przy 10% wapnia i 10–30% odprysków skali na cykl. Dla 15% wapnia odpryskiwanie wynosi 20-35 µm na 100 cykli, a zgorzelina jest całkowicie odpryskiwana po 300-500 cyklach. Przy 20% zawartości wapnia (typowy skład trójskładnikowy) odpryskiwanie wynosi do 30–50 μm na 100 cykli, podczas gdy ubytek metalu wynosi 0,15–0,25 mm na 1000 cykli. Perforacji oczekuje się po 6 000–10 000 cykli dla grubości ścianki 1,5 mm i 20% soli wapnia.

Wpływ wahań temperatury i czasu cyklu na szybkość spalacji

Na intensywność odpryskiwania duży wpływ ma wielkość zmiany temperatury i czas trwania cyklu. Odpryskiwanie tlenków wynosi 8–15 μm na 100 cykli dla 10% zawartości wapnia przy wahaniach temperatury 375 stopni (25–400 stopni) lub 3300–6300 cykli w celu usunięcia 0,5 mm metalu. Zwiększenie odchylenia do 500 stopni (100 stopni do 600 stopni) przy tym samym stężeniu wapnia zwiększa odpryskiwanie do 20-40 µm/100 cykli. Zmniejsza to cykle do utraty 0,5 mm do 1250-2500. Odpryskiwanie 30–50 µm na 100 cykli dla 20% wapnia, odchylenie 375 stopni 1000–1700 cykli do utraty 0,5 mm Przy 20% wapnia i odchylenie 500 stopni odpryskiwanie wynosi 50–80 µm na 100 cykli, a do utraty 0,5 potrzeba tylko 600–1 000 cykli mm. Wydłużony czas przebywania w temperaturze (8 h w porównaniu z . 2 h) powoduje o 30-50% większe odpryskiwanie w wyniku zwiększonej produkcji tytanianu wapnia.

Podgrzewacze soli azotanowej Zawartość wapnia i odniesienie do cyklu życia

Zalecenia dotyczące dopuszczalnej zawartości wapnia w soli azotanowej w zależności od oczekiwanej liczby cykli zamrażania-rozmrażania, pożądanej żywotności grzejnika i grubości ścianki dla tytanu klasy 2 podano w Tabeli 1.

Liczba cykli zamarzania-Cykli rozmrażania/rokWymagany okres użytkowania (lata)Maksymalna dopuszczalna zawartość wapnia (%)Oczekiwana roczna utrata metalu (mm) Zalecana grubość ścianki (mm) 10 20 15 0.03–0.05 1.5 50 10 10 0.04–0.08 1.5 100 10 10 0.08–0.15 2.0 100 5 15 0.10–0.18 2.0 365 (dziennie) 5 5 0.04–0.10 2.5 365 (dziennie) 10 0 (sól binarna) 0,02–0.04 2.0 Inżynieria poza kontrolą zawartości wapnia

Jakość tytanu jest ważna dla odporności na odpryski. Stopień 7 (stabilizowany palladem) wytwarza bardziej przylegający tlenek w wyniku wzbogacenia palladem na granicy faz-metalu i wykazuje 30-50% redukcję odprysków w porównaniu do stopnia 2 przy równych poziomach wapnia. Grubość ścianki stanowi rezerwę materiałową. Na przykład ściana o grubości 2,0 mm, przy której ubytek metalu w wyniku odprysków wynosi 0,10 mm rocznie, wytrzymuje 20 lat. Na odpryskiwanie wpływa szybkość nagrzewania i chłodzenia, przy powolnym narastaniu z szybkością 2 stopni/min, co zmniejsza naprężenia termiczne i odpryskiwanie o 50-70% w porównaniu z szybkim narastaniem przy 10 stopniach/min. Inhibitory, takie jak tlenek magnezu dodany w ilości od 0,5 do 1,0% do soli, konkurują z wapniem w reakcji z tlenkiem tytanu, zmniejszając w ten sposób powstawanie tytanianu wapnia.

Tworzenie świadomej-specyfikacji

Jeśli przewiduje się więcej niż 100 cykli rocznie, należy ograniczyć zawartość wapnia do maksymalnie 10% dla stopnia 2 lub 15% dla stopnia 7. • Trójskładnikowa sól azotanowa z cyklem zamrażania i rozmrażania • Tytanowy pręt grzejny Do codziennej pracy na rowerze (365 cykli/rok) zalecamy sól binarną (NaNO3-KNO3, 0% wapnia) lub grzejnik klasy 7 o grubości ścianki 2,5 mm. Aby zapobiec szokowi termicznemu podczas pracy, kontroluj szybkość ogrzewania i chłodzenia na poziomie 2–3 stopni/min. 4.1.3. Spuszczanie soli i co roku sprawdzaj powierzchnię grzejnika pod kątem widocznych odprysków tlenkowych w postaci łuszczenia się lub pyłu i/lub mierz grubość ścianki ultradźwiękowo, jeśli występują. Jeżeli ubytek metalu przekracza 0,2 mm rocznie, należy zmniejszyć zawartość wapnia lub zastosować stopień 7. Inżynierowie kontrolują szybkość odpryskiwania tlenków i zwiększają żywotność tytanowych prętów grzejnych w cyklu zamrażania i rozmrażania, zmieniając zawartość jonów wapnia w mieszaninie soli azotanowych.