Para um aquecedor de bainha de titânio permanentemente imerso em uma entrada de água corrente de um rio (total de sólidos dissolvidos 300 ppm, pH 7,2, 25 graus), qual é a espessura mínima da parede para suportar a cavitação de uma bomba próxima?

A compensação fundamental em aquecedores de titânio para cavitação-induzida por bomba
As bombas nas estruturas de captação de água dos rios transferem a água para estações de tratamento ou sistemas de refrigeração industrial. Às vezes, aquecedores com bainha de titânio são colocados para evitar congelamento ou para manter temperaturas mínimas. Se o aquecedor estiver próximo às entradas ou descarga da bomba, ele estará sujeito à cavitação, que é a produção e o rápido colapso de bolhas de vapor na água em movimento. A cavitação produz pressões de choque localizadas superiores a 1.000 bar e micro{5}}jatos com velocidades de até 100 m/s. Isto resulta num desgaste das superfícies de titânio por um mecanismo de fadiga. A espessura mínima da parede para resistir à erosão por cavitação é uma função da intensidade da cavitação (função do projeto da bomba e da velocidade do fluxo) e da resistência do titânio ao carregamento cíclico. A espessura da parede fornece uma camada sacrificial que pode deteriorar-se antes da perfuração. Esta análise identifica a espessura mínima de parede necessária para condições de cavitação em estações de bombeamento de água de rios comuns.

Efeito na integridade mecânica: mecanismo de erosão por cavitação
Quando a pressão local cai abaixo da pressão de vapor da água, ocorre cavitação e formam-se bolhas de vapor. Essas bolhas então colapsam rapidamente quando encontram regiões de maior pressão. A bolha em colapso produz um micro-jato a 50-150 m/s impactando a superfície vizinha. O efeito cumulativo de milhões de colapsos de bolhas a cada segundo leva à fadiga superficial, endurecimento por trabalho e, finalmente, perda de material. A duração da incubação (tempo até o início da perda de peso observável) para o titânio Grau 2 depende da força da cavitação expressa pelo número de cavitação σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Quanto menor o σ, mais intensa é a cavitação.

As velocidades normais de fluxo nas tomadas de água do rio são de 2 a 4 m/s no local do aquecedor. O número de cavitação está entre 0,3 e 1,0, o que indica cavitação moderada a grave. A taxa de erosão por cavitação do titânio Grau 2 sob estas condições é de 0,2–0,8 mm por ano após a incubação. O período de incubação em si é de 100 a 500 horas. O material é removido e depois removido em ritmo constante.

Efeito no desempenho térmico: velocidade de fluxo e taxa de erosão
A taxa de erosão por cavitação aumenta com velocidade à potência de 4-6 (extremamente sensível). A taxa de erosão reduz por um fator de 16–64 se a velocidade do fluxo for reduzida de 4 m/s para 2 m/s. A espessura da parede não tem efeito na taxa de erosão – ela apenas determina quanto tempo o aquecedor sobrevive após o início da erosão. O desempenho térmico (coeficiente de transferência de calor) é melhorado com o aumento da velocidade do fluxo, o que está em conflito. Uma velocidade mais alta aumenta a eficiência do aquecimento, mas aumenta substancialmente a erosão por cavitação.

Espessura mínima da parede 10-anos Síntese de compensação
Velocidade de fluxo no aquecedor (m/s) Número de cavitação (σ) Taxa de erosão (mm/ano) Parede recomendada (com fator de segurança) Parede mínima para vida útil de 10 anos (mm)
1.5 m/s >1,0 (cavitação) 0.00 0.8 mm (estrutural) 0,8 mm
0,8 (moderado) 2,0 m/s 0.10 1.0 mm 1,2 milímetro
2,5 m/s 0,6 (moderado) 0.25 2.5 mm 3,0 mm
3,0 m/seg 0,4 (grave) 0.60 6.0 mm Não é prático 4,0 m/seg 0,3 (muito grave) 1.50 15 mm Impossível
Para tomadas normais de água do rio com velocidades de fluxo de 1,5 a 2,0 m/s no local do aquecedor (não na entrada imediata da bomba), uma parede de 1,2 a 1,5 mm é suficiente para uma vida útil de 10 anos. Acima de 2,5 m/s a espessura da parede necessária é impraticável e é necessária uma reformulação.

Engenharia Além da Parede: Prevenindo a Cavitação e Movendo o Aquecedor
A taxa de erosão por cavitação aumenta com a quarta potência da velocidade ou maior, portanto, a melhor abordagem é mover o aquecedor para fora das zonas de alta velocidade. Localmente, a velocidade é reduzida para<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

Conclusão Uma parede de 1,5 mm é suficiente para condições típicas (v Menor ou igual a 2,0 m/s)
A espessura mínima da parede necessária para resistir à cavitação de uma bomba próxima para um aquecedor de revestimento de titânio permanentemente submerso em uma entrada de água de um rio a 25 graus com um total de sólidos dissolvidos de 300 ppm e pH 7,2 é uma função da velocidade do fluxo local. Com uma velocidade típica de 1,5-2,0 m/s (fora da entrada imediata da bomba), uma parede de titânio grau 2 com 1,2-1,5 mm de espessura tem uma vida útil de 10 anos. Onde as velocidades são superiores a 2,5 m/seg, é necessária uma espessura de parede superior a 3 mm (impraticável para tubos de aquecimento) e o aquecedor deve ser movido ou protegido com um defletor ou revestimento. Os aquecedores de entrada de água do rio devem ser especificados com uma bainha de titânio Grau 2, com 1,5 mm de espessura de parede, a pelo menos 1 m de distância de qualquer entrada ou saída da bomba e montados com um defletor direcionador de fluxo, se possível. O fabricante calculará o número de cavitação e a taxa de erosão. Forneça a velocidade de fluxo prevista no local do aquecedor (m/s) e as características da bomba. A prevenção da cavitação (diminuição da velocidade) é muito melhor do que aumentar a espessura da parede.