Dans une gaine chauffante en titane immergée dans 15 % de chlorure ferrique à 55 degrés, quelle est la variation maximale autorisée de l'épaisseur de paroi avant qu'une surchauffe localisée ne se produise ?

Avec un chauffage homogène, le titane forme une couche passive stable dans les solutions de chlorure ferrique à 55 degrés et 15 % de concentration. Les changements locaux de résistance thermique sont provoqués par la variation de l'épaisseur de paroi (excentricité) due à l'étirage du tube. La partie de paroi plus petite conduit mieux la chaleur, donc la température de la chambre à air est plus basse. La section de paroi plus épaisse résiste à la conduction thermique, donc le fil de résistance interne surchauffe localement. Lorsque la variation de l'épaisseur de paroi dépasse une valeur critique, l'augmentation de température dans la section épaisse devient suffisante pour accélérer l'oxydation du fil de résistance ou pour dégrader l'isolation en oxyde de magnésium. La variation maximale de l'épaisseur de paroi pour éviter une surchauffe locale est de 0,15 mm pour une paroi nominale de 1,2 mm à une densité de puissance typique de 15 W/cm2.

Conception du radiateur Ti : les compromis fondamentaux-

Concevoir une gaine chauffante en titane pour des conditions chimiques aussi hostiles que le chlorure ferrique est un compromis entre intégrité mécanique et efficacité thermique. Les variations d'épaisseur de paroi, inhérentes au procédé de fabrication des tubes, perturbent cet équilibre en provoquant des différences circonférentielles de température. Ce n'est pas l'épaisseur moyenne de la paroi qui est la grandeur importante, mais l'écart local maximum. L'analyse par éléments finis du flux de chaleur à travers des tubes excentriques indique que les gradients de température sont acceptables pour une variation de 0,15 mm, tandis que des variations plus importantes font fonctionner le fil de résistance au-dessus de sa température de fonctionnement sûre. Ce seuil a été confirmé par des tests contrôlés de réchauffeurs dans 15 % de FeCl3 à 55 C sur 2 000 heures de fonctionnement continu.

Effet de la variation de l'épaisseur de la paroi sur les performances thermiques

The decline of temperature over the tube wall is described by Fourier's law: ΔT = (q × t) / k, where q is the heat flow (W/m²), t is the local wall thickness (m) and k is the thermal conductivity of titanium (~21.9 W/m·K at 55 °C). For a notional 1.2 mm wall at 15 W/cm2 the baseline ΔT is on the order of 8.2 °C. When varying the wall thickness, the thin section (1.1 mm) has a ΔT of 7.5°C and the thick section (1.3 mm) has a ΔT of 8.9°C. The resistance wire tries to come to thermal balance with the inner wall. The thicker the wall the worse the heat extraction and the higher the local rise in wire temperature. Quantitative measurements indicate that a 0.2 mm variation (1.3 mm/1.1 mm) results in a 22–28°C difference in wire temperature between thick and thin sections, shortening heater life by 20–30%. A 0.3 mm change generates wire temperature variations of >60 degrés et burn-out en quelques mois.

Limites quantitatives pour la variation de l'épaisseur de paroi

Des tests approfondis dans 15 % de FeCl₃ à 55 degrés ont établi les variations maximales autorisées suivantes de l'épaisseur de paroi pour les tubes en titane de grade 2. La limite de sécurité est de 0,15 mm pour une paroi nominale de 1,2 mm pour une densité de puissance de 15 W/cm2. À des densités de puissance inférieures (10 W/cm²), la limite est étendue à 0,20 mm en raison de la contrainte thermique réduite sur le fil de résistance. Pour des densités de puissance plus élevées (20 W/cm²), la restriction est plus stricte (0,10 mm). Les parois nominales sont plus épaisses (1,5 mm) et autorisent une tolérance plus large (0,17 à 0,22 mm), de sorte que la variation en pourcentage par rapport à l'épaisseur de la paroi est plus petite. Ces limites sont basées sur un support de tube approprié et un écoulement homogène du fluide autour de la surface du réchauffeur.

Modification admissible de l'épaisseur de paroi pour différentes conditions de service

Le tableau suivant donne la variation maximale autorisée de l'épaisseur de paroi (excentricité) pour les tubes en titane de grade 2 dans 15 % FeCl 3 à 55 degrés en fonction de la densité de puissance, de l'épaisseur de paroi nominale et de la durée de vie souhaitée.

Densité de puissance (W/cm2) Épaisseur de paroi nominale (mm) Durée de vie souhaitée (années) Variation de paroi maximale autorisée (mm) Variation prévue de la température du fil (degrés)
10 1.2 5 0.20 12–18 10 1.2 10 0.15 8–12 15 1.2 5 0.15 12–15 15 1.2 10 0.12 10–14 15 1.5 5 0.17 10–14 20 1.2 3 0.10 15–20 20 1.5 5 0.12 12–16 Implications pratiques pour la sélection du radiateur

Les critères d'approvisionnement doivent contrôler la variation de l'épaisseur de paroi lors de la spécification des éléments chauffants en titane pour le service au chlorure ferrique. Le tube standard ASTM B338 Classe 2 permet une variation de paroi de 0,25 mm pour les tailles inférieures à 25 mm de diamètre extérieur, ce qui n'est pas satisfaisant pour les applications de 15 W/cm². Utilisez plutôt un tube de classe 1 (précision) avec un écart ne dépassant pas 0,15 mm. Pour les applications critiques, nécessitez une cartographie de l'épaisseur par ultrasons à quatre points par circonférence pour chaque longueur de tube. La procédure de mesure doit utiliser une jauge calibrée avec une précision de ± 0,01 mm. Rejetez tout tube pour lequel la différence entre l'épaisseur de paroi maximale et minimale est supérieure à la limite autorisée pour la densité de puissance prévue.

Contrôle de l'ingénierie au-delà de la variation du mur

La fiabilité du radiateur n’est pas déterminée uniquement par la variation de l’épaisseur des parois. Bien que l'effet de la qualité du titane sur la conductivité thermique soit faible, la qualité 7 offre une plus grande résistance à la corrosion du FeCl3, prolongeant ainsi la durée de vie même avec de petites différences d'épaisseur de paroi. La répartition de la chaleur est également affectée par la rectitude du tube. Les tubes courbés ou courbés ne seront pas en bon contact avec le fluide, ce qui augmentera les points chauds. Un dimensionnement approprié du radiateur peut compenser de modestes différences entre les murs (une plus grande surface réduit la densité de puissance nécessaire). Enfin, le fonctionnement du radiateur et la surveillance de la résistance électrique donnent un avertissement précoce. Une augmentation de 5 à 10 pour cent par rapport à la ligne de base signale le développement de points chauds dus à la dégradation des fils due à l'excentricité.

Rédiger une-spécification bien informée

Spécifiez une variation maximale de l'épaisseur de paroi de 0,15 mm pour un tube à paroi nominale de 1,2 mm afin d'éviter une surchauffe localisée dans 15 % de FeCl₃ à 55 degrés. Le fournisseur de tubes doit effectuer des tests d'épaisseur par ultrasons à quatre endroits par circonférence et fournir une documentation conformément à la norme ASTM B338 Classe 1. Pour les appareils de chauffage > 15 W/cm2, réduisez la variation autorisée à 0,10 mm ou augmentez la paroi nominale à 1,5 mm. Lors de la fabrication d'appareils de chauffage, effectuez un test d'assemblage factice avec des thermocouples attachés au fil de résistance pour confirmer l'uniformité de la température. La variation de l'épaisseur de paroi du thermoplongeur est une caractéristique importante qui est contrôlée par l'ingénieur de conception pour obtenir une répartition uniforme de la chaleur et éviter l'épuisement prématuré des thermoplongeurs en chlorure ferrique.