Kemijska tvornica izgubila je PTFE uronjeni grijač u spremniku za poniklavanje nakon samo sedam mjeseci rada. Plašt je pokazao uzorak finih pukotina koje su se križale duž donjeg grijanog dijela. Pukotine nisu bile koncentrirane na rubovima ili liniji tekućine. Bili su raspoređeni po području koje je bilo okrenuto prema recirkulacijskom ulazu spremnika. Cirkulacijska pumpa postrojenja bila je programirana da se uključuje i isključuje svakih petnaest minuta radi uštede energije. Svaki ciklus pumpanja izazvao je toplinski šok na površini grijača.
Do pucanja od toplinskog udara dolazi kada površina PTFE uronjenog grijača doživi brze promjene temperature koje premašuju sposobnost polimera da prihvati nastalo naprezanje. Pukotine nastaju jer se površina širi ili skuplja brže od temeljnog materijala. Tijekom vremena, ciklički stres uzrokuje pucanje uslijed zamora.
Kako rad pumpe stvara toplinski udar
Kada cirkulacijska pumpa radi, brzina tekućine na površini grijača je velika. Granični sloj je tanak, a prijenos topline učinkovit. Temperatura površine omotača ostaje unutar 10-15 stupnjeva od mase tekućine.
Kada se pumpa zaustavi, brzina tekućine na površini grijača pada blizu nule. Granični sloj se zadeblja, a učinkovitost prijenosa topline pada. Temperatura površine omotača raste, ponekad za 20-30 stupnjeva unutar nekoliko minuta. Povećava se toplinska ekspanzija PTFE-a.
Kada se crpka ponovno pokrene, protok velike-brzine brzo hladi površinu. PTFE se skuplja. Metal ispod, koji se nije tako brzo ohladio, ograničava kontrakciju. PTFE doživljava vlačna opterećenja. Ponovljeni ciklusi zagrijavanja i hlađenja uzrokuju pucanje uslijed zamora.
| Razdoblje ciklusa pumpe | Površina ΔT tijekom ciklusa isključenja | Površina ΔT tijekom ciklusa uključenja | Amplituda naprezanja | Vrijeme je za krek |
|---|---|---|---|---|
| 30 minuta uključeno/isključeno | 15-20 stupnjeva | 10-15 stupnjeva | Umjereno | 18-30 mjeseci |
| 15 minuta uključeno/isključeno | 20-30 stupnjeva | 15-20 stupnjeva | visoko | 8-16 mjeseci |
| 10 minuta uključeno/isključeno | 25-35 stupnjeva | 18-25 stupnjeva | Vrlo visoko | 4–10 mjeseci |
| 5 minuta uključivanje/isključivanje | 30-45 stupnjeva | 20-30 stupnjeva | Teška | 2–6 mjeseci |
Učestalost rada crpke i njen učinak na pucanje uslijed toplinskog udara
Zašto se pukotine koncentriraju u blizini ulaza
Pukotine nastaju tamo gdje je toplinski udar najjači-područje koje je okrenuto prema ulazu recirkulacije. Kada se crpka ponovno pokrene, ulazni tok utječe izravno na to područje. Tamo se površina hladi brže od ostatka grijača. Toplinski gradijent između udarnog područja i okolne površine stvara najveći stres.
Pukotine u pokvarenom grijaču bile su koncentrirane u pojasu širine približno 150 mm, sa središtem na ulaznom putu protoka. Ostatak grijača pokazao je samo manju promjenu boje površine.
Razlika između toplinskog udara i toplinskog umora
Toplinski šok i toplinski zamor povezani su, ali različiti. Toplinski zamor nastaje kada grijač mijenja dvije temperature tijekom dugog razdoblja. Promjena temperature po ciklusu je umjerena, a stres je nizak. Pukotine se razvijaju polako, često godinama.
Toplinski šok nastaje kada je promjena temperature po ciklusu velika i brza. Naprezanje je veliko, a pukotine se brzo razvijaju. Pukotine su često ozbiljnije i šire nego kod toplinskog zamora.
Sprječavanje pucanja uslijed toplinskog udara
Najučinkovitija prevencija je izbjegavanje brzih promjena protoka na površini grijača. Pumpa koja neprekidno radi eliminira ciklus toplinskog udara. Ako su potrebne uštede energije, crpka s promjenjivom-brzinom koja održava minimalni protok bolja je od pumpe za uključivanje/isključivanje.
Ako je ciklus pumpe neizbježan, razdoblje ciklusa treba biti dovoljno dugo da se temperatura površine grijača stabilizira između ciklusa. Ciklus od 30 minuta predstavlja manje stresa od ciklusa od 10 minuta. Minimalno razdoblje ciklusa ovisi o toplinskoj masi grijača i spremnika.
Grijač s debljim PTFE omotačem i manjom gustoćom u vatima ima veću toplinsku masu i nižu površinsku temperaturu. Sporije reagira na promjene u protoku i doživljava manji stres od toplinskog udara.
| Mjera prevencije | Učinak na toplinski udar | Provedba | trošak |
|---|---|---|---|
| Kontinuirani rad pumpe | Uklanja ciklus šoka | Operativna promjena | Trošak energije |
| Pumpa-promjenjive brzine | Održava minimalni protok | Nadogradnja pumpe | Umjereno |
| Dulje razdoblje ciklusa | Niža amplituda naprezanja | Promjena kontrole | Niska |
| Niža gustoća vata | Niža površinska temperatura | Dizajn grijača | Umjereno |
| Deblji omotač | Više toplinske mase | Dizajn grijača | Umjereno |
Mjere prevencije pucanja od toplinskog udara
Kada pucanje od toplinskog udara ukazuje na problem dizajna
Grijač koji razvija pukotine od toplinskog udara unatoč kontinuiranom radu crpke ukazuje na to da dizajn grijača ili raspored spremnika stvara lokalizirani toplinski stres. Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s nižom gustoćom u vatima, debljim omotačem i položajem-optimiziranim protokom rješava glavni uzrok toplinskog udara. Proces specifikacije zahtijeva raspored rada pumpe, brzinu protoka na grijaču, kemijski sastav kupke i potrebnu snagu u vatima. Za objekte s povremenom cirkulacijom, ovaj-pristup specifičan za primjenu smanjuje pucanje od toplinskog udara i produljuje vijek trajanja grijača.
