Keď sa vo výparníku soľankového chladiča používa titánová vykurovacia trubica (ponorená v 20 % CaCl₂ soľanke pri -cykloch tepelného čerpadla 20 stupňov až 40 stupňov), ako hrúbka steny ovplyvňuje riziko krehnutia a lomu pri nízkych teplotách?

Základná výmena-titánového ohrievača pre službu Subzero Brine Service
Výparníky soľného chladiča používajú 20 % soľný roztok chloridu vápenatého (CaCl2) ako sekundárne chladivo, pracujúce pri -20 stupňoch (odparovanie) a 40 stupňoch (kondenzácia/rozmrazovanie). Niekedy sú umiestnené titánové vykurovacie trubice na rozmrazovanie alebo udržiavanie teploty. Titán má prechodovú teplotu od ťažného do krehkého pod nulou. Titán zostáva tvárny až do -250 stupňov, na rozdiel od uhlíkovej ocele, avšak zárezy, zvyškové napätie alebo vodík môžu spôsobiť krehký lom pod -10 stupňov. Hrúbka steny ovplyvňuje stav napätia na hrote vrubu a rýchlosť ochladzovania počas tepelných cyklov. Analýza odhaduje riziko prasknutia pri nízkej teplote v titánových vykurovacích rúrach, ktoré sa pohybujú medzi -20 stupňami a 40 stupňami, a vypočítava hrúbku steny, ktorá toto riziko minimalizuje.

Vplyv na mechanickú integritu: prechod z ťažného na krehký titán
Titán triedy 2 má šesťhrannú uzavretú kryštálovú štruktúru (HCP). Kovy HCP, na rozdiel od ocelí BCC, nevykazujú ostrú ťažnú-až{3}}krehkú prechodovú teplotu. Titán ukazuje Charpyho nárazovú energiu nad 50 J až do -50 stupňov . Lomová húževnatosť však klesá pri teplotách pod{12}}nulou, zatiaľ čo existuje ostrý zárez (napr. špička zvaru, škrabance alebo jamky). Lomová húževnatosť K_IC pri rovinnej deformácii titánu triedy 2 pri 20 stupňoch je asi 100 MPa√m a pri -20 stupňoch klesá na 70–80 MPa√m. Ak máte vrub kombinovaný so zvyškom napätia v ťahu (z ohybu alebo zvárania), môžete získať krehký lom. Stále dosť tvrdé.

Hrúbka steny ovplyvňuje triaxiálne napätie na hrote zárezu. Čím väčšia je hrúbka, tým silnejšie je obmedzenie, tj trojososť napätého stavu (blízko rovinnej deformácie) je väčšia, čo vedie k zníženiu zdanlivej lomovej húževnatosti. Bolo pozorované, že stena s hrúbkou 2,0 mm má väčšie obmedzenie ako stena s hrúbkou 1,0 mm a je teda náchylnejšia na krehké lomy pri nízkych teplotách. Výpočty založené na lomovej mechanike ukazujú, že kritická veľkosť chyby pre krehký lom pri -20 stupňoch pre 1,0 mm stenu je okolo 2 mm. Pre 2,0 mm stenu je to 1,5 mm. Hrubšia stena je náchylnejšia na menšie poruchy.

Vplyv na tepelný výkon: rýchlosť chladenia a tepelné napätie
Počas prechodu zo 40 stupňov na -20 stupňov sa titánový plášť a vnútorné komponenty (MgO, odporový drôt) stláčajú rôznou rýchlosťou a vytvárajú tepelné napätie. Tepelné napätie $\\sigma_{tepelné}=E*\\alpha*\\Delta T=105 GPa * 8,6e-6 * 60=54 MPa, výrazne pod výťažnosťou. Ale pri prevádzke ohrievača v studenom cykle vedie prídavný elektrický ohrev k vytvoreniu teplotného gradientu cez stenu. Hrubšia stena (2,0 mm) vykazuje väčší gradient (ΔT_cond=2.5 stupeň pri 2,0 W/cm²) ako tenšia stena (1,2 stupňa). Gradient tiež zavádza ohybové napätie na vnútornom povrchu.

Vyrovnaná-syntéza: hrúbka steny a riziko lomu pri nízkej teplote-
Hrúbka steny (mm) Lomová húževnatosť KIC pri -20 stupňoch (MPa√m) Kritická veľkosť trhliny pre zlomeninu (mm) Zvyškové napätie v dôsledku ohybu (MPa) Nebezpečenstvo lomu pri nízkej teplote
0,8 mm 80 (rovinné napätie dominantné) 2,5 mm 50 MPa Nízke 1,0 mm 78 (zmiešaný režim) 2,2 mm 55 MPa Nízke 1,2 mm 75 (zmiešaný režim) 1,9 mm 60 MPa Nízke-Stredné
1,5 mm 72 (približujúca sa rovinná deformácia) 1,6 mm 65 MPa Stredná 2,0 mm 68 (rovinná deformácia) 1,3 mm 75 MPa Stredná-Vysoká
Hrubšie steny sú menej odolné voči lomu- (väčšie obmedzenie) a majú menšie kritické veľkosti chýb, takže sú náchylnejšie na krehké lomy v dôsledku menších defektov.

Engineering Beyond the Wall: Zliatiny a kontrola defektov
Keďže riziko zlomenín je podmienené veľkosťou chyby a obmedzením, redukcia chýb je efektívnejšia ako zmena hrúbky steny. Elektroleštenie titánového povrchu (Ra menšie alebo rovné 0,2 µm) eliminuje ostré zárezy a znižuje koncentráciu napätia. Najtypickejšie oblasti pre iniciáciu lomu sú eliminované zabezpečením hladkého brúsenia zvarov (bez podrezania). Zvýšenie na titán triedy 1 (menej železa a kyslíka, väčšia ťažnosť) zlepšuje húževnatosť pri nízkej teplote. Stupeň 1 má K_IC 90–100 MPa√m pri -20 stupňoch, preto je v podstate odolný voči krehkému lomu aj pri hrúbke steny 2,0 mm. Pre prevádzku pri veľmi nízkych teplotách sa uprednostňuje stupeň 1.

Záver: Tenká stena (1,0 – 1,2 mm) vhodná pre Sub-nulovú soľanku
Nebezpečenstvo nízkoteplotného skrehnutia a prasknutia titánovej vykurovacej trubice v 20 % soľanke CaCl2 s cyklom -20 stupňov a 40 stupňov je vyššie, keď je hrúbka steny tenšia (1,0 – 1,2 mm), ako keď je hrubšia (1,8 – 2,0 mm). Hrubšie steny majú vyššiu triaxiálnosť napätia (obmedzenie), čo znižuje zdanlivú lomovú húževnatosť a znižuje kritickú veľkosť chyby pre krehký lom. Pri -20 stupňoch sa 2,0 mm stena môže zlomiť 1,3 mm chybou, zatiaľ čo 1,0 mm stena vydrží 2,2 mm defekt. Odporúčaná špecifikácia je titánová stena 1. alebo 2. triedy hrúbka 1,0-1,2 mm, elektrolyticky leštená povrchová úprava a hladké brúsené zvary. Je potrebné sa vyhnúť hrubším stenám (väčším alebo rovným 1,5 mm), s výnimkou inovácie na titán 1. stupňa. Poskytnite výrobcovi minimálnu prevádzkovú teplotu a predpokladanú veľkosť chyby (napr. škrabance, podrezanie zvaru). Riedidlo je lepšie pre odolnosť proti zlomeniu v prevádzke soľankového chladiča s cyklami pod nulou.