Et kemisk anlæg mistede en PTFE-elvarmer i en nikkelbeholder efter kun syv måneders drift. Skeden viste et mønster af fine, krydsende revner langs den nedre opvarmede sektion. Revnerne var ikke koncentreret ved kanterne eller væskeledningen. De var fordelt over det område, der vender ud mod tankens recirkulationsindløb. Anlæggets cirkulationspumpe var programmeret til at tænde og slukke hvert kvarter for at spare energi. Hver pumpecyklus påførte et termisk stød på varmelegemets overflade.
Termisk chok-revnedannelse opstår, når en PTFE-dyppevarmeflade oplever hurtige temperaturændringer, der overstiger polymerens evne til at optage den resulterende belastning. Revnerne dannes, fordi overfladen udvider sig eller trækker sig sammen hurtigere end det underliggende materiale. Over tid forårsager den cykliske stress træthedsbrud.
Hvordan pumpecykling skaber termisk chok
Når cirkulationspumpen kører, er væskehastigheden ved varmelegemets overflade høj. Grænselaget er tyndt, og varmeoverførslen er effektiv. Skedens overfladetemperatur forbliver inden for 10-15 grader af bulkvæsken.
Når pumpen stopper, falder væskehastigheden ved varmelegemets overflade til næsten nul. Grænselaget bliver tykkere, og varmeoverførselseffektiviteten kollapser. Skedens overfladetemperatur stiger, nogle gange med 20-30 grader inden for få minutter. Den termiske udvidelse af PTFE øges.
Når pumpen genstarter, afkøler den høje-hastighed overfladen hurtigt. PTFE-kontrakterne. Det underliggende metal, som ikke er afkølet så hurtigt, begrænser sammentrækningen. PTFE oplever trækspænding. Gentagne cyklusser med opvarmning og afkøling forårsager udmattelsesrevner.
| Pumpecyklusperiode | Overflade ΔT under slukket cyklus | Overflade ΔT under On Cycle | Stress Amplitude | Tid til at knække |
|---|---|---|---|---|
| 30 minutter tænd/sluk | 15-20 grader | 10-15 grader | Moderat | 18-30 måneder |
| 15 minutter tænd/sluk | 20-30 grader | 15-20 grader | Høj | 8-16 måneder |
| 10 minutter tænd/sluk | 25-35 grader | 18-25 grader | Meget høj | 4-10 måneder |
| 5 minutter tænd/sluk | 30-45 grader | 20-30 grader | Alvorlig | 2-6 måneder |
Pumpens cykling frekvens og dens effekt på termisk chok revnedannelse
Hvorfor revnerne koncentreres nær indløbet
Revnerne dannes, hvor det termiske chok er mest alvorligt-det område, der vender mod recirkulationsindtaget. Når pumpen genstarter, rammer indløbsstrømmen direkte på dette område. Overfladen der afkøles hurtigere end resten af varmeren. Den termiske gradient mellem det ramte område og den omgivende overflade skaber den højeste spænding.
Revnerne i det fejlbehæftede varmelegeme var koncentreret i et ca. 150 mm bredt bånd, centreret på indløbsstrømningsvejen. Resten af varmelegemet viste kun mindre overflademisfarvning.
Forskellen mellem termisk chok og termisk træthed
Termisk chok og termisk træthed er relaterede, men adskilte. Termisk træthed opstår, når varmeren skifter mellem to temperaturer over en lang periode. Temperaturændringen pr. cyklus er moderat, og stressen er lav. Revnerne udvikler sig langsomt, ofte over år.
Termisk chok opstår, når temperaturændringen pr. cyklus er stor og hurtig. Spændingen er høj, og revnerne udvikler sig hurtigt. Revnerne er ofte mere alvorlige og mere udbredte end ved termisk træthed.
Forebyggelse af termisk chok revnedannelse
Den mest effektive forebyggelse er at undgå hurtige ændringer i flowet ved varmelegemets overflade. En kontinuerligt kørende pumpe eliminerer den termiske stødcyklus. Hvis der kræves energibesparelser, er en pumpe med variabel-hastighed, der opretholder minimalt flow, bedre end en tænd/sluk-pumpe.
Hvis pumpecyklus er uundgåelig, bør cyklusperioden være lang nok til at tillade varmelegemets overfladetemperatur at stabilisere sig mellem cyklusser. En 30-minutters cyklus påfører mindre stress end en 10-minutters cyklus. Den mindste cyklusperiode afhænger af varmelegemets og tankens termiske masse.
Et varmelegeme med en tykkere PTFE-kappe og en lavere watt-densitet har mere termisk masse og en lavere overfladetemperatur. Den reagerer langsommere på ændringer i flow og oplever lavere termisk chokbelastning.
| Forebyggende foranstaltning | Effekt på termisk stød | Implementering | Koste |
|---|---|---|---|
| Kontinuerlig pumpedrift | Eliminerer stødcyklus | Driftsændring | Energiomkostninger |
| Pumpe med variabel-hastighed | Opretholder minimalt flow | Pumpe opgradering | Moderat |
| Længere cyklusperiode | Lavere spændingsamplitude | Kontrolændring | Lav |
| Lavere watt-tæthed | Lavere overfladetemperatur | Varmeapparat design | Moderat |
| Tykkere skede | Mere termisk masse | Varmeapparat design | Moderat |
Forebyggende foranstaltninger for termisk chok revnedannelse
Når termisk chok-revnedannelse indikerer et designproblem
Et varmelegeme, der udvikler termiske chokrevner på trods af kontinuerlig pumpedrift, indikerer, at varmelegemets design eller tanklayoutet skaber lokal termisk stress. En tilpasset PTFE-elvarmerkonfiguration med lavere watt-tæthed, en tykkere kappe og en flow-optimeret position adresserer årsagen til termisk chok. Specifikationsprocessen kræver pumpens driftsplan, strømningshastigheden ved varmeren, badets kemi og den nødvendige watt. Til faciliteter med intermitterende cirkulation reducerer denne applikations-specifikke tilgang termiske stødrevner og forlænger varmeapparatets levetid.
