โรงงานเคมีแห่งหนึ่งสูญเสียเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ในถังชุบนิกเกิลหลังจากใช้งานเพียงเจ็ดเดือน ฝักมีรูปแบบของรอยแตกเล็กๆ ที่ตัดกันตามแนวส่วนที่ได้รับความร้อนด้านล่าง รอยแตกร้าวไม่ได้กระจุกอยู่ที่ขอบหรือเส้นของเหลว พวกมันถูกกระจายไปทั่วบริเวณที่หันหน้าไปทางทางเข้าหมุนเวียนของถัง ปั๊มหมุนเวียนของโรงงานได้รับการตั้งโปรแกรมให้เปิดและปิดทุกๆ 15 นาทีเพื่อประหยัดพลังงาน แต่ละรอบของปั๊มทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันบนพื้นผิวเครื่องทำความร้อน
การแตกร้าวด้วยแรงกระแทกจากความร้อนเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ประสบกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ซึ่งเกินกว่าความสามารถของโพลีเมอร์ในการรองรับความเครียดที่เกิดขึ้น รอยแตกร้าวเกิดขึ้นเนื่องจากพื้นผิวขยายหรือหดตัวเร็วกว่าวัสดุที่อยู่ด้านล่าง เมื่อเวลาผ่านไป ความเครียดแบบวนซ้ำจะทำให้เกิดอาการเมื่อยล้า
การปั่นจักรยานของปั๊มทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้อย่างไร
เมื่อปั๊มหมุนเวียนทำงาน ความเร็วของของไหลที่พื้นผิวตัวทำความร้อนจะสูง ชั้นขอบเขตบางและการถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพ อุณหภูมิพื้นผิวของเปลือกจะอยู่ที่ 10–15 องศาของของเหลวจำนวนมาก
เมื่อปั๊มหยุด ความเร็วของของไหลที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อนจะลดลงจนใกล้ศูนย์ ชั้นขอบเขตหนาขึ้น และประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนก็ลดลง อุณหภูมิพื้นผิวของฝักจะสูงขึ้น บางครั้งอาจสูงถึง 20–30 องศาภายในไม่กี่นาที การขยายตัวทางความร้อนของ PTFE เพิ่มขึ้น
เมื่อปั๊มรีสตาร์ท การไหลความเร็วสูง-จะทำให้พื้นผิวเย็นลงอย่างรวดเร็ว สัญญา PTFE โลหะที่อยู่ด้านล่างซึ่งไม่ได้เย็นตัวเร็วเท่าที่ควร จะเป็นไปจำกัดการหดตัว PTFE ประสบกับความเค้นแรงดึง การทำความร้อนและความเย็นซ้ำๆ ทำให้เกิดการแตกร้าวเมื่อยล้า
| ระยะเวลารอบปั๊ม | พื้นผิว ΔT ระหว่างนอกรอบ | พื้นผิว ΔT ระหว่างออนไซเคิล | แอมพลิจูดของความเครียด | ถึงเวลาแคร็ก |
|---|---|---|---|---|
| เปิด/ปิด 30 นาที | 15–20 องศา | 10–15 องศา | ปานกลาง | 18–30 เดือน |
| เปิด/ปิด 15 นาที | 20–30 องศา | 15–20 องศา | สูง | 8–16 เดือน |
| เปิด/ปิด 10 นาที | 25–35 องศา | 18–25 องศา | สูงมาก | 4–10 เดือน |
| เปิด/ปิด 5 นาที | 30–45 องศา | 20–30 องศา | รุนแรง | 2–6 เดือน |
ความถี่การหมุนเวียนของปั๊มและผลต่อการแตกร้าวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน
เหตุใดรอยแตกจึงรวมตัวใกล้ทางเข้า
รอยแตกจะเกิดขึ้นในบริเวณที่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันรุนแรงที่สุด-บริเวณที่หันหน้าไปทางทางเข้าหมุนเวียน เมื่อปั๊มรีสตาร์ท การไหลเข้าจะกระทบกับบริเวณนั้นโดยตรง พื้นผิวที่นั่นเย็นเร็วกว่าฮีตเตอร์ที่เหลือ การไล่ระดับความร้อนระหว่างพื้นที่ที่ถูกกระแทกและพื้นผิวโดยรอบทำให้เกิดความเครียดสูงสุด
รอยแตกในตัวทำความร้อนที่ล้มเหลวนั้นกระจุกตัวอยู่ในแถบกว้างประมาณ 150 มม. โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่เส้นทางไหลเข้า ส่วนที่เหลือของเครื่องทำความร้อนแสดงการเปลี่ยนสีพื้นผิวเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
ความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันและความเหนื่อยล้าจากความร้อน
ภาวะช็อกจากความร้อนและความล้าจากความร้อนมีความสัมพันธ์กันแต่แตกต่างกัน ความล้าจากความร้อนเกิดขึ้นเมื่อเครื่องทำความร้อนหมุนเวียนระหว่างอุณหภูมิสองอุณหภูมิเป็นเวลานาน การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิต่อรอบอยู่ในระดับปานกลาง และความเครียดอยู่ในระดับต่ำ รอยแตกจะค่อยๆ เกิดขึ้นอย่างช้าๆ บ่อยครั้งเป็นเวลานานหลายปี
การช็อกจากความร้อนเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงต่อรอบมากและรวดเร็ว มีความเครียดสูงและรอยแตกร้าวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว รอยแตกร้าวมักรุนแรงและกระจายตัวกว้างกว่ารอยแตกร้าวจากความร้อน
ป้องกันการแตกร้าวจากความร้อน
การป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของการไหลที่พื้นผิวเครื่องทำความร้อน ปั๊มที่ทำงานอย่างต่อเนื่องช่วยลดวงจรการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน หากจำเป็นต้องประหยัดพลังงาน ปั๊มแบบปรับความเร็วได้-ที่รักษาอัตราการไหลขั้นต่ำไว้จะดีกว่าปั๊มเปิด/ปิด
หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงการหมุนเวียนของปั๊มได้ ระยะเวลาของรอบควรจะนานพอที่จะทำให้อุณหภูมิพื้นผิวของตัวทำความร้อนคงที่ระหว่างรอบต่างๆ วงจร 30 นาทีทำให้เกิดความเครียดน้อยกว่าวงจร 10 นาที ระยะเวลารอบขั้นต่ำขึ้นอยู่กับมวลความร้อนของเครื่องทำความร้อนและถัง
เครื่องทำความร้อนที่มีปลอก PTFE หนาขึ้นและมีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่าจะมีมวลความร้อนมากกว่าและมีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำกว่า โดยจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของการไหลได้ช้ากว่าและมีความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจากความร้อนลดลง
| มาตรการป้องกัน | ผลต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน | การนำไปปฏิบัติ | ค่าใช้จ่าย |
|---|---|---|---|
| การทำงานของปั๊มอย่างต่อเนื่อง | ขจัดวงจรการกระแทก | การเปลี่ยนแปลงการดำเนินงาน | ค่าพลังงาน |
| ปั๊มความเร็วแปรผัน- | รักษาการไหลขั้นต่ำ | อัพเกรดปั๊ม | ปานกลาง |
| ระยะเวลาวงจรอีกต่อไป | ความกว้างของความเครียดที่ต่ำกว่า | ควบคุมการเปลี่ยนแปลง | ต่ำ |
| ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า | อุณหภูมิพื้นผิวต่ำกว่า | การออกแบบเครื่องทำความร้อน | ปานกลาง |
| ฝักหนาขึ้น | มวลความร้อนมากขึ้น | การออกแบบเครื่องทำความร้อน | ปานกลาง |
มาตรการป้องกันการแตกร้าวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
เมื่อการแตกร้าวด้วยแรงกระแทกจากความร้อนบ่งบอกถึงปัญหาการออกแบบ
เครื่องทำความร้อนที่ทำให้เกิดรอยแตกจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันแม้ว่าปั๊มจะทำงานอย่างต่อเนื่องก็ตาม บ่งชี้ว่าการออกแบบเครื่องทำความร้อนหรือแผนผังถังกำลังสร้างความเครียดจากความร้อนเฉพาะที่ การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE แบบกำหนดเองที่มีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า ปลอกที่หนาขึ้น และตำแหน่งการไหลที่เหมาะสมที่สุด- จะช่วยแก้ไขสาเหตุหลักของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน กระบวนการกำหนดคุณสมบัติจำเป็นต้องมีตารางการทำงานของปั๊ม ความเร็วการไหลที่เครื่องทำความร้อน เคมีของอ่าง และกำลังไฟที่ต้องการ สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกที่มีการหมุนเวียนไม่ต่อเนื่อง การประยุกต์ใช้งาน-แนวทางเฉพาะนี้ช่วยลดการแตกร้าวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลันและยืดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน
