Хімічний завод втратив занурювальний нагрівач PTFE в резервуарі з нікельованим покриттям лише після семи місяців експлуатації. Оболонка показала малюнок тонких тріщин, що перетинаються, уздовж нижньої нагрітої секції. Тріщини не були зосереджені на краях або лінії рідини. Вони були розподілені по площі, яка виходила на рециркуляційний отвір бака. Циркуляційний насос заводу було запрограмовано на вмикання та вимикання кожні п’ятнадцять хвилин для економії енергії. Кожен цикл насоса викликав термічний удар на поверхні нагрівача.
Розтріскування при термічному ударі відбувається, коли поверхня занурювального нагрівача з ПТФЕ зазнає швидких змін температури, які перевищують здатність полімеру сприймати результуючу деформацію. Тріщини утворюються тому, що поверхня розширюється або стискається швидше, ніж матеріал, що лежить під нею. З часом циклічна напруга викликає втомне розтріскування.
Як робота насоса створює термічний удар
Коли циркуляційний насос працює, швидкість рідини на поверхні нагрівача висока. Прикордонний шар тонкий, а теплообмін ефективний. Температура поверхні оболонки залишається в межах 10-15 градусів об'ємної рідини.
Коли насос зупиняється, швидкість рідини на поверхні нагрівача падає майже до нуля. Прикордонний шар потовщується, і ефективність теплообміну падає. Температура поверхні оболонки підвищується, іноді на 20-30 градусів протягом хвилин. Теплове розширення PTFE збільшується.
Коли насос перезапускається, високо-швидкісний потік швидко охолоджує поверхню. PTFE контракти. Нижчий метал, який не охолонув так швидко, стримує скорочення. PTFE відчуває напругу розтягування. Повторні цикли нагрівання та охолодження викликають втомне розтріскування.
| Період циклу насоса | Поверхня ΔT під час циклу вимкнення | Поверхня ΔT під час циклу ввімкнення | Амплітуда напруги | Час зламати |
|---|---|---|---|---|
| 30 хвилин увімкнення/вимкнення | 15-20 градусів | 10-15 градусів | Помірний | 18–30 місяців |
| 15 хвилин увімкнення/вимкнення | 20-30 градусів | 15-20 градусів | Високий | 8–16 місяців |
| 10 хвилин увімкнення/вимкнення | 25-35 градусів | 18-25 градусів | Дуже високий | 4–10 місяців |
| 5 хвилин увімкнення/вимкнення | 30-45 градусів | 20-30 градусів | Сильний | 2–6 місяців |
Частота циклювання насоса та її вплив на розтріскування при термічному ударі
Чому тріщини концентруються біля входу
Тріщини утворюються там, де найсильніший термічний удар-у зоні, яка стикається з входом рециркуляції. Коли насос перезапускається, вхідний потік потрапляє безпосередньо на цю ділянку. Поверхня там охолоджується швидше, ніж решта обігрівача. Термічний градієнт між зоною зіткнення та навколишньою поверхнею створює найбільшу напругу.
Тріщини в несправному нагрівачі були зосереджені в смузі шириною приблизно 150 мм, зосередженою на шляху вхідного потоку. Решта обігрівача показала лише незначне знебарвлення поверхні.
Різниця між термічним ударом і термічною втомою
Термічний удар і термічна втома пов’язані, але різні. Термічна втома виникає, коли нагрівач змінює дві температури протягом тривалого часу. Зміна температури за цикл помірна, а напруга низька. Тріщини розвиваються повільно, часто роками.
Тепловий удар виникає, коли зміна температури за цикл є великою та швидкою. Напруга висока, і тріщини розвиваються швидко. Тріщини часто є серйознішими та більш широко поширеними, ніж при термічній втомі.
Запобігання розтріскування від термічного удару
Найефективнішою профілактикою є уникнення швидких змін потоку на поверхні нагрівача. Постійно працюючий насос усуває цикл термічного удару. Якщо потрібна економія енергії, насос зі змінною -швидкістю, який підтримує мінімальний потік, краще, ніж насос із увімкненням/вимкненням.
Якщо перемикання насоса неможливо уникнути, період циклу має бути достатньо довгим, щоб дозволити температурі поверхні нагрівача стабілізуватися між циклами. 30-хвилинний цикл викликає менше стресу, ніж 10-хвилинний цикл. Мінімальний період циклу залежить від теплової маси нагрівача і бака.
Нагрівач із товстішою оболонкою з PTFE та меншою щільністю в ватах має більшу теплову масу та нижчу температуру поверхні. Він повільніше реагує на зміни потоку та відчуває менший термічний удар.
| Захід профілактики | Вплив на термічний удар | Реалізація | Вартість |
|---|---|---|---|
| Безперервна робота насоса | Усуває шоковий цикл | Оперативна зміна | Вартість енергії |
| Насос зі змінною{0}}швидкістю | Підтримує мінімальний потік | Оновлення насоса | Помірний |
| Більш тривалий період циклу | Менша амплітуда напруги | Зміна контролю | Низький |
| Нижча щільність ват | Нижча температура поверхні | Конструкція обігрівача | Помірний |
| Більш товста оболонка | Більша теплова маса | Конструкція обігрівача | Помірний |
Заходи профілактики розтріскування при термічному ударі
Коли розтріскування від термічного удару вказує на проблему конструкції
Нагрівач, у якому з’являються тріщини від термічного удару, незважаючи на безперервну роботу насоса, вказує на те, що конструкція нагрівача або компонування резервуара створює локальне теплове навантаження. Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з ПТФЕ з нижчою щільністю ват, товстішою оболонкою та оптимізованим-положенням потоку усуває першопричину теплового удару. Процес специфікації вимагає графіка роботи насоса, швидкості потоку в нагрівачі, хімічного складу ванни та необхідної потужності. Для об’єктів із переривчастою циркуляцією цей-спеціальний підхід зменшує розтріскування при термічному ударі та подовжує термін служби нагрівача.
