Zakład chemiczny utracił grzałkę zanurzeniową z PTFE w niklowanym zbiorniku już po siedmiu miesiącach pracy. Powłoka wykazywała wzór drobnych, przecinających się pęknięć wzdłuż dolnej części nagrzewanej. Pęknięcia nie skupiały się na krawędziach ani na linii cieczy. Zostały one rozmieszczone na obszarze naprzeciwko wlotu recyrkulacji zbiornika. Pompa obiegowa instalacji została zaprogramowana tak, aby włączała się i wyłączała co piętnaście minut, aby oszczędzać energię. Każdy cykl pompy powodował szok termiczny na powierzchni grzejnika.
Pękanie w wyniku szoku termicznego ma miejsce, gdy powierzchnia grzałki zanurzeniowej PTFE ulega gwałtownym zmianom temperatury, które przekraczają zdolność polimeru do kompensowania powstałego odkształcenia. Pęknięcia powstają, ponieważ powierzchnia rozszerza się lub kurczy szybciej niż materiał znajdujący się pod spodem. Z biegiem czasu cykliczne naprężenia powodują pękanie zmęczeniowe.
Jak cykliczna praca pompy powoduje szok termiczny
Kiedy pompa obiegowa pracuje, prędkość płynu na powierzchni grzejnika jest duża. Warstwa graniczna jest cienka, a przenoszenie ciepła jest wydajne. Temperatura powierzchni osłony utrzymuje się w granicach 10–15 stopni w stosunku do objętości płynu.
Po zatrzymaniu pompy prędkość płynu na powierzchni grzejnika spada prawie do zera. Warstwa graniczna gęstnieje, a wydajność wymiany ciepła spada. Temperatura powierzchni osłony wzrasta, czasami o 20–30 stopni w ciągu kilku minut. Zwiększa się rozszerzalność cieplna PTFE.
Po ponownym uruchomieniu pompy przepływ-o dużej prędkości szybko chłodzi powierzchnię. Umowy PTFE. Metal znajdujący się pod spodem, który nie ostygł tak szybko, ogranicza skurcz. PTFE poddawany jest naprężeniom rozciągającym. Powtarzające się cykle ogrzewania i chłodzenia powodują pękanie zmęczeniowe.
| Okres cyklu pompy | Powierzchnia ΔT podczas cyklu wyłączenia | Powierzchnia ΔT podczas cyklu włączenia | Amplituda stresu | Czas na crack |
|---|---|---|---|---|
| 30 minut włączenia/wyłączenia | 15–20 stopni | 10–15 stopni | Umiarkowany | 18–30 miesięcy |
| 15 minut włączenia/wyłączenia | 20–30 stopni | 15–20 stopni | Wysoki | 8–16 miesięcy |
| 10 minut włączenia/wyłączenia | 25–35 stopni | 18–25 stopni | Bardzo wysoki | 4–10 miesięcy |
| 5 minut włączenia/wyłączenia | 30–45 stopni | 20–30 stopni | Ciężki : silny | 2–6 miesięcy |
Częstotliwość cykli pomp i jej wpływ na pękanie w wyniku szoku termicznego
Dlaczego pęknięcia skupiają się w pobliżu wlotu
Pęknięcia powstają tam, gdzie szok termiczny jest najsilniejszy-w obszarze zwróconym w stronę wlotu recyrkulacji. Po ponownym uruchomieniu pompy strumień wlotowy uderza bezpośrednio w ten obszar. Powierzchnia w tym miejscu ochładza się szybciej niż pozostała część grzejnika. Gradient termiczny pomiędzy obszarem uderzenia a otaczającą powierzchnią powoduje największe naprężenia.
Pęknięcia uszkodzonej nagrzewnicy skupiały się w pasie o szerokości około 150 mm, wyśrodkowanym na wlotowej ścieżce przepływu. Pozostała część grzejnika wykazywała jedynie niewielkie przebarwienia powierzchniowe.
Różnica między szokiem termicznym a zmęczeniem termicznym
Szok termiczny i zmęczenie cieplne są ze sobą powiązane, ale odrębne. Zmęczenie cieplne występuje, gdy grzejnik przełącza się między dwiema temperaturami przez długi czas. Zmiana temperatury na cykl jest umiarkowana, a naprężenie niskie. Pęknięcia rozwijają się powoli, często latami.
Szok termiczny występuje, gdy zmiana temperatury w cyklu jest duża i szybka. Naprężenia są duże, a pęknięcia szybko się rozwijają. Pęknięcia są często poważniejsze i bardziej rozpowszechnione niż w przypadku zmęczenia cieplnego.
Zapobieganie pękaniu wywołanemu szokiem termicznym
Najbardziej skuteczną profilaktyką jest unikanie gwałtownych zmian przepływu na powierzchni grzejnika. Ciągła praca pompy eliminuje cykl szoku termicznego. Jeśli wymagane są oszczędności energii, lepsza jest pompa o zmiennej-prędkości, która utrzymuje minimalny przepływ, niż pompa typu włącz/wyłącz.
Jeżeli nie da się uniknąć cyklicznych zmian pompy, okres cyklu powinien być wystarczająco długi, aby temperatura powierzchni grzejnika ustabilizowała się pomiędzy cyklami. Cykl 30-minutowy powoduje mniejszy stres niż cykl 10-minutowy. Minimalny okres cyklu zależy od masy cieplnej grzejnika i zbiornika.
Grzejnik z grubszą osłoną z PTFE i mniejszą gęstością mocy ma większą masę termiczną i niższą temperaturę powierzchni. Reaguje wolniej na zmiany przepływu i doświadcza mniejszego stresu termicznego.
| Środek zapobiegawczy | Wpływ na szok termiczny | Realizacja | Koszt |
|---|---|---|---|
| Ciągła praca pompy | Eliminuje cykl wstrząsów | Zmiana operacyjna | Koszt energii |
| Pompa o zmiennej-prędkości | Utrzymuje minimalny przepływ | Modernizacja pompy | Umiarkowany |
| Dłuższy okres cyklu | Mniejsza amplituda naprężeń | Zmiana kontroli | Niski |
| Niższa gęstość watów | Niższa temperatura powierzchni | Projekt grzejnika | Umiarkowany |
| Grubsza osłona | Więcej masy termicznej | Projekt grzejnika | Umiarkowany |
Środki zapobiegające pękaniu w wyniku szoku termicznego
Kiedy pękanie spowodowane szokiem termicznym wskazuje na problem projektowy
W grzejniku, w którym pomimo ciągłej pracy pompy powstają pęknięcia spowodowane szokiem termicznym, oznacza to, że konstrukcja grzejnika lub układ zbiornika powoduje lokalne naprężenia termiczne. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE o niższej gęstości watów, grubszej osłonie i położeniu zoptymalizowanym pod kątem przepływu- eliminuje pierwotną przyczynę szoku termicznego. Proces specyfikacji wymaga harmonogramu pracy pompy, prędkości przepływu w podgrzewaczu, składu chemicznego kąpieli i wymaganej mocy. W przypadku obiektów z przerywanym obiegiem to specyficzne-zastosowanie podejście ogranicza pękanie pod wpływem szoku termicznego i wydłuża żywotność grzejnika.
