بالنسبة للسخان الكهربائي المصنوع من التيتانيوم المستخدم للحفاظ على درجة حرارة 60 درجة في نظام تسخين قادوس المرسب الكهروستاتيكي (تكثيف رذاذ حمض الكبريتيك)، ما الحد الأقصى لسمك الجدار الذي يمنع التأخر الحراري المفرط وتكثيف الحمض على الغلاف البارد؟

المقايضة الأساسية-في تصميم سخان التيتانيوم لخدمة ESP Hopper
يتم جمع الرماد المتطاير من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم - في قواديس باستخدام المرسبات الكهروستاتيكية (ESPs). يجب تسخين القادوس إلى 60 درجة لتقليل سد الرماد ولضمان تدفق المواد. يحتوي الغلاف الجوي على رذاذ حمض الكبريتيك المتكثف (SO3 + H2O → H2SO4) مع نقطة ندى عادة في نطاق 120-140 درجة. يتم وضع سخانات كهربائية من التيتانيوم في جدران القادوس أو في طبقة الرماد. إذا انخفضت درجة حرارة جدار أنبوب السخان إلى أقل من نقطة الندى الحمضية، فسوف يتكثف حمض الكبريتيك على السطح ويسبب تآكلًا سريعًا. التأخر الحراري هو الوقت الذي يستغرقه الغمد للوصول إلى درجة الحرارة المحددة بعد تنشيط المدفأة. ويخضع لسمك الجدار. تتمتع الجدران السميكة بكتلة حرارية أكبر، مما يعني أنها تستغرق وقتًا أطول للتسخين والتبريد. أثناء بدء التشغيل البارد أو دورة الطاقة، قد يبقى السخان ذو الجدران السميكة تحت نقطة الندى لفترات طويلة من الزمن، مما يسمح بتكثيف الحمض. يحدد هذا البحث أقصى سمك للجدار والذي لن يسمح للغلاف بأن يكون أقل من نقطة الندى لفترة كافية للسماح بتكثيف حمضي كبير.

التأثير على السلامة الميكانيكية: تلف تكثيف الحمض
إذا كانت درجة حرارة غلاف التيتانيوم أقل من نقطة الندى H2SO4 (حوالي 130 درجة لغاز المداخن الذي يحتوي على 10 جزء في المليون SO3)، فإن حمض الكبريتيك يتكثف كطبقة رقيقة (0.5-1 ميكرومتر) بتركيز عالٍ (70-90% H2SO4). في هذه المرحلة المكثفة، لا يكون التيتانيوم سلبيًا ويمكن أن يصل معدل التآكل إلى 0.5-2.0 ملم سنويًا. يتم إخراج المعدن في كل مرة يتكثف فيها. يمكن أن يحدث الانثقاب بعد 100 دورة تكثيف (عادة لمدة 5 سنوات من التشغيل) بسمك جدار يبلغ 1.5 ملم. المعلمة الأكثر أهمية ليست الحد الأقصى لمعدل التآكل ولكن إجمالي الوقت الذي يكون فيه الغلاف أقل من نقطة الندى. تتمتع السخانات-الحرارية العالية-بفترة تأخير أطول لكل عملية تبريد وتسخين في نطاق درجة حرارة التكثيف.

التأثير على الأداء الحراري: حساب التأخر الحراري
يتم الحصول على التأخر الحراري لغلاف التيتانيوم من خلال ثابت الوقت τ=(ρ*C_p*t)/h حيث ρ=4,500 كجم/م3، C_p=520 J/kgK، t= سمك الجدار وh= معامل نقل الحرارة الحراري (إلى الرماد المحيط، ~ 50 واط/م2 كلفن للرماد المعبأ). لسمك جدار يبلغ 1.0 مم، τ=(4,500 × 520 × 0.001)/50=46.8 ثانية. لجدار 2.0 مم، τ=93.6 s . تبلغ مدة التبريد من درجة حرارة العمل (180 درجة، المطلوبة للحفاظ على الغلاف فوق نقطة الندى) إلى نقطة الندى (130 درجة) حوالي 0.7 مرة τ. 1.0 ملم جدار: 33 ثانية. 2.0 ملم جدار: 66 ثانية. فترة التبريد هذه لها غلاف فوق نقطة الندى فقط للثواني القليلة الأولى، وبعد أن تتجاوز 130 درجة، يبدأ التكثيف في التشكل. كلما كان الجدار أكثر سمكًا، كلما تعرض لنطاق درجة حرارة التكثيف لفترة أطول. وهذا يعني المزيد من التعرض للأحماض.

المقايضة-التوليف: الحد الأقصى لسمك الجدار لمنع تلف التكثيف
سمك الجدار (مم) ثابت الوقت (τ، s) وقت التبريد من 180 درجة إلى 130 درجة (ثانية) التعرض للتكثيف لكل فترة تهدئة (ثواني) العمر المقدر مع فترتي تهدئة / يوم، 5 سنوات (إجمالي ساعات التعرض) 5 سنوات من الحياة تجتمع؟
0.8 مم 37 ثانية 26 ثانية 26 ثانية 26 ساعة نعم (تآكل منخفض)
1.0 ملم 47 ثانية 33 ثانية 33 ثانية 33 ساعة نعم
1.2 ملم 56 ثانية 39 ثانية 39 ثانية 39 ساعة نعم
1.5 مم 70 ثانية 49 ثانية 49 ثانية 49 ساعة هامشية (تحتاج إلى جودة Ti عالية)
1.8 مم 84 ثانية 59 ثانية 59 ثانية 59 ساعة لا (تنقير خطير)
2.0 ملم 94 ثانية 66 ثانية 66 ثانية 66 ساعة
2.5 ملم 117 ثانية 82 ثانية 82 ثانية 82 ساعة لا (فشل سريع)
For a typical ESP hopper with two cooldowns/day (e.g., weekend shutdowns and daily load cycling), a wall thickness of up to 1.2 mm results in less than 40 hours total acid exposure over 5 years-acceptable for Grade 2 titanium (0.1 mm corrosion). With a cumulative exposure of >50 ساعة، يكون التنقر كبيرًا لأكبر من أو يساوي 1.5 مم.

الهندسة خارج الجدار: التحكم النشط في درجة الحرارة والتحكم في نقطة الندى
إن أفضل أسلوب لمنع تكثف الحمض ليس تقييد سمك الجدار، بل إبقاء الغلاف دائمًا فوق نقطة الندى. يتم التخلص من فترة التهدئة تمامًا عن طريق تثبيت وظيفة التسخين الاحتياطية التي تحافظ على الغلاف عند 150 درجة عندما لا يكون القادوس قيد الاستخدام. التدفئة الاحتياطية جيدة مع أي سمك الجدار. وبدلاً من ذلك، يمكن أن يؤدي خفض تركيز ثاني أكسيد الكبريت (SO3) عند المنبع (مثل التحكم في حقن ثاني أكسيد الكبريت أو وقود مختلف) إلى خفض نقطة الندى الحقيقية للسماح بدرجة حرارة تشغيل منخفضة وتقليل متطلبات التأخر الحراري. إذا كانت نقطة الندى 110 درجة بدلاً من 130 درجة، فلا بأس بجدار بسمك 2.0 مم.

الخلاصة: دورة قادوس ESP النموذجية 1.2 مم أقصى سمك للجدار
سخان كهربائي من التيتانيوم يحمل قادوس ESP عند 60 درجة أثناء تكثيف رذاذ حمض الكبريتيك (نقطة الندى 130 درجة) يمكن أن يكون سمك جداره 1.2 مم أو أقل، دون تأخر حراري كبير للحفاظ على الغلاف تحت نقطة الندى لفترة كافية للتسبب في تكثيف حمضي كبير. مع سمك جدار يبلغ 1.2 مم، يبلغ ثابت الوقت 56 ثانية ووقت التعرض للتكثيف هو 39 ثانية فقط لكل تبريد، مما يوفر أقل من 40 ساعة من التعرض التراكمي خلال 5 سنوات-مقبول للتيتانيوم من الدرجة الثانية. تعمل الجدران السميكة (أكبر من أو تساوي 1.5 مم) على مضاعفة الوقت اللازم لتطور التكثيف أربع مرات وتتسبب في حدوث الحفر والفشل المبكر. المعيار الموصى به هو غمد التيتانيوم من الدرجة الثانية بسمك جدار 1.0-1.2 مم والتدفئة الاحتياطية لمنع دورات التهدئة إن أمكن. قم بتزويد الشركة المصنعة بالعدد المقدر لعمليات التبريد يوميًا ونقطة الندى الحمضية الحقيقية لتحديد الحد الأقصى لسمك الجدار المسموح به. يعد سمك الجدار متغيرًا حيويًا للتأخر الحراري، وكلما كان أضيق كلما كان ذلك أفضل لتجنب التكثيف.