Para un tubo calefactor de titanio que debe soportar un funcionamiento ocasional en seco (p. ej., el nivel del líquido cae por debajo del calentador en un tanque de revestimiento), ¿qué espesor de pared proporciona el mayor tiempo de supervivencia antes de que se rompa la vaina?

La compensación fundamental en el diseño de calentadores de titanio para contingencias de incendio-seco
En los tanques de revestimiento, la evaporación, el drenaje del tanque o la falla de la bomba pueden hacer que el nivel del líquido caiga por debajo del calentador de inmersión. El funcionamiento en seco (calentador accionado en aire o vapor) genera un rápido aumento de temperatura ya que el coeficiente de transferencia de calor del aire es mucho menor (h=10–50 W/m2·K) que el del líquido (h ≈ 500–5000 W/m2·K). En cuestión de minutos, la temperatura de la funda de titanio puede elevarse por encima de los 800 grados, provocando oxidación, fluencia y ruptura. El espesor de la pared tiene dos efectos sobre el tiempo de supervivencia del incendio-seco. Una pared más gruesa proporciona más masa térmica (calentamiento más lento) y más material para oxidar antes de la ruptura, pero también da como resultado una mayor tensión interna debido a la expansión diferencial. En este trabajo cuantificamos el tiempo de supervivencia para varios espesores de pared en operación en seco y encontramos el espesor de pared que maximiza la duración de supervivencia.

Efectos sobre la integridad mecánica: modos de falla por oxidación y fluencia
Dos modos de falla ocurren consecutivamente en un calentador de titanio que funciona en seco en aire a presión atmosférica. Primero, la superficie del titanio se oxida hasta formar una capa de óxido espesa y quebradiza, que es TiO2 rutilo. La oxidación ocurre con cinética parabólica: aumento de peso $\\propto \\sqrt{t}$. A 600 grados, la capa de óxido aumenta a un ritmo de alrededor de 0,1 mm por hora. A 800 grados, 0,5 mm por hora. El óxido es frágil y se desprende dejando al descubierto metal fresco. En segundo lugar, la presión interna del cable de resistencia en expansión y el aislamiento de MgO provoca una deformación plástica del sustrato de titanio dependiente del tiempo de fluencia. La fluencia se vuelve importante por encima de los 400 grados C. La ruptura se define como la división de la vaina longitudinalmente o el abombamiento y estallido debido a la acción combinada del debilitamiento de la pared por oxidación por desconchado y alargamiento por fluencia.

Ambos mecanismos se ven afectados por el espesor de la pared. Una pared más gruesa tiene más titanio para oxidarse antes de adelgazarse hasta romperse y tiene una mayor resistencia a la fluencia, ya que la velocidad de fluencia es inversamente proporcional al cuadrado del espesor de la pared. Pero un mayor espesor de la pared significa más calor, lo que podría provocar temperaturas máximas más altas durante el fuego-seco.

Impacto de la tasa de calentamiento en el rendimiento térmico
En funcionamiento en seco, el aumento de temperatura es: dT/dt=q / ρ C pt − h (T − T aire )/ ρ C pt donde t es el espesor de la pared. La pared más gruesa exhibe una velocidad de calentamiento más baja a medida que una masa más grande recibe la misma entrada de energía. El tiempo calculado para alcanzar los 600 grados (temperatura de oxidación crítica) para espesores de pared variables para una densidad de potencia típica de 3,0 W/cm2:

Espesor de la pared Tiempo hasta 600 grados (seco, h=30 W/m2K) Tiempo hasta 800 grados (ruptura)Modo de falla Tiempo total de supervivencia
0,8 mm 45 segundos 1,5 minutos 1,5 minutos Oxidación rápida, explosión
1,0 mm 70 s 140 s 2,3 min Dilución por oxidación, partida.
1,2 mm 100 segundos 200 segundos 3,3 minutos Ruptura por fluencia
Ruptura por fluencia 1,5 mm 150 s 300 s 5,0 min
2,0 mm 240 s 480 s 8,0 min Ruptura por fluencia
2,5 mm 360 s 720 s 12 minutos Fallo por fluencia
El espesor de la pared es aproximadamente proporcional al tiempo de supervivencia. Una pared de 2,0 mm dura 8 minutos, 3,5 veces más que una pared de 1,2 mm (3,3 minutos).

La contrapartida-de la síntesis: espesor de pared óptimo para la contingencia-de incendio seco
Grosor de la pared, tiempo de supervivencia (minutos), vida relativa y capacidad de fabricación. ¿Recomendado para-peligro de incendio en seco?
1,0 mm 2,3 min 1,0× valor inicial Fácil No (demasiado corto)
1,2 mm 3,3 min 1,4× Marginal fácil
1,5 mm 5,0 min 2,2× Estándar Sí
1,8 mm 7,0 min 3,0× Posible (suministro limitado) Sí
2,0 mm 8,0 min 3,5× Pedido especial Sí (mejor práctico)
2,5 mm 12 min 5,2× Difícil (problemas de flexión) Exceso
El espesor de pared máximo factible para tubos calentadores de titanio doblados es de 2,0 mm (restricciones de flexión). Una pared de 2,0 mm proporciona un tiempo de supervivencia de 8 minutos -, suficiente para que el operador responda en la mayoría de situaciones de caída de nivel del tanque de revestimiento.

Ingeniería más allá del muro: dispositivos-de prevención de incendios en seco
El espesor de la pared proporciona protección pasiva, pero nunca debe ser el principal medio de protección contra el funcionamiento en seco. El mejor enfoque es agregar un interruptor de nivel conectado al contactor del calentador. Un interruptor de flotador o una sonda de conductancia que des-desenergiza el calentador cuando el nivel del líquido cae por debajo del calentador impide-el fuego seco por completo y hace que el espesor de la pared sea irrelevante. Se adjunta un corte térmico (TCO) a la funda cerca del pasador frío y se ajusta a 150 grados para protección secundaria. Si la temperatura de la funda es superior a 150 grados (funcionamiento en seco), el TCO abre el circuito. Así que con estas protecciones activas una pared típica de 1,2 mm es suficiente. En su ausencia, un espesor de pared de 2,0 mm le da al operador una ventana clave de 8 minutos para intervenir.

Conclusión: una pared más gruesa da como resultado una extensión lineal del tiempo de supervivencia
El uso de tubos calentadores de titanio de pared más gruesa puede proporcionar más tiempo antes de que se rompa la funda si ocasionalmente se secan debido a la caída del nivel del líquido. El tiempo de supervivencia escala generalmente de forma lineal con el espesor de la pared: una pared de 2,0 mm sobrevive 8 minutos (3,5 veces más que una pared de 1,2 mm (3,3 min)). Para aplicaciones con riesgo de incendio en seco-, se recomienda una pared de titanio de 2,0 mm, que es un compromiso razonable entre la duración de supervivencia (8 minutos) y la capacidad de fabricación. El espesor de la pared es un respaldo pasivo, pero el interruptor de nivel y el corte térmico son una prevención activa contra incendios en seco que siempre se debe implementar. Para los calentadores utilizados en tanques de revestimiento que pueden experimentar variaciones de nivel, especifique una contingencia de pared de 2,0 mm y un bloqueo de nivel obligatorio. Proporcionar al fabricante el tiempo de respuesta previsto del operador para establecer el espesor de pared mínimo necesario. 2.0 mm dará suficiente margen para la mayoría de las aplicaciones.