Một nhà máy hóa chất bị mất lò sưởi ngâm PTFE trong bể mạ niken chỉ sau bảy tháng sử dụng. Vỏ bọc có hình các vết nứt nhỏ giao nhau dọc theo phần được làm nóng phía dưới. Các vết nứt không tập trung ở các cạnh hoặc dòng chất lỏng. Chúng được phân bố khắp khu vực đối diện với cửa vào tuần hoàn của bể. Máy bơm tuần hoàn của nhà máy được lập trình để bật và tắt cứ 15 phút một lần để tiết kiệm năng lượng. Mỗi chu kỳ bơm tạo ra một cú sốc nhiệt trên bề mặt lò sưởi.
Vết nứt do sốc nhiệt xảy ra khi bề mặt bộ gia nhiệt ngâm PTFE trải qua những thay đổi nhiệt độ nhanh chóng vượt quá khả năng chịu đựng biến dạng của polyme. Các vết nứt hình thành do bề mặt giãn nở hoặc co lại nhanh hơn vật liệu bên dưới. Theo thời gian, ứng suất tuần hoàn sẽ gây ra hiện tượng nứt do mỏi.
Cách bơm xe đạp tạo ra sốc nhiệt
Khi bơm tuần hoàn đang chạy, tốc độ chất lỏng ở bề mặt gia nhiệt cao. Lớp ranh giới mỏng và truyền nhiệt hiệu quả. Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc nằm trong khoảng 10–15 độ so với chất lỏng khối.
Khi máy bơm dừng lại, vận tốc chất lỏng ở bề mặt gia nhiệt giảm xuống gần bằng không. Lớp ranh giới dày lên và hiệu suất truyền nhiệt giảm. Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc tăng lên, có khi lên tới 20–30 độ trong vòng vài phút. Sự giãn nở nhiệt của PTFE tăng lên.
Khi máy bơm khởi động lại, dòng chảy-tốc độ cao sẽ nhanh chóng làm mát bề mặt. Các hợp đồng của PTFE Kim loại bên dưới không nguội đi nhanh chóng sẽ hạn chế sự co lại. PTFE chịu ứng suất kéo. Các chu kỳ làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại gây ra hiện tượng nứt do mỏi.
| Chu kỳ bơm | Bề mặt ΔT trong chu kỳ tắt | Bề mặt ΔT trong chu kỳ | Biên độ ứng suất | Đã đến lúc bẻ khóa |
|---|---|---|---|---|
| Bật/tắt 30 phút | 15–20 độ | 10–15 độ | Vừa phải | 18–30 tháng |
| Bật/tắt 15 phút | 20–30 độ | 15–20 độ | Cao | 8–16 tháng |
| Bật/tắt 10 phút | 25–35 độ | 18–25 độ | Rất cao | 4–10 tháng |
| Bật/tắt 5 phút | 30–45 độ | 20–30 độ | Nghiêm trọng | 2–6 tháng |
Tần số chu kỳ bơm và ảnh hưởng của nó đến nứt do sốc nhiệt
Tại sao các vết nứt tập trung gần cửa vào
Các vết nứt hình thành ở nơi sốc nhiệt nghiêm trọng nhất-khu vực đối diện với cửa tuần hoàn. Khi máy bơm khởi động lại, dòng khí vào tác động trực tiếp lên khu vực đó. Bề mặt ở đó nguội đi nhanh hơn phần còn lại của lò sưởi. Độ dốc nhiệt giữa vùng tiếp xúc và bề mặt xung quanh tạo ra ứng suất cao nhất.
Các vết nứt trên bộ gia nhiệt bị hỏng tập trung thành một dải rộng khoảng 150 mm, tập trung ở đường dẫn dòng chảy vào. Phần còn lại của lò sưởi chỉ có sự đổi màu nhỏ trên bề mặt.
Sự khác biệt giữa sốc nhiệt và mệt mỏi do nhiệt
Sốc nhiệt và mỏi nhiệt có liên quan nhưng khác biệt. Mệt mỏi do nhiệt xảy ra khi máy sưởi luân chuyển giữa hai nhiệt độ trong một thời gian dài. Sự thay đổi nhiệt độ trong mỗi chu kỳ là vừa phải và mức độ căng thẳng thấp. Các vết nứt phát triển chậm, thường qua nhiều năm.
Sốc nhiệt xảy ra khi sự thay đổi nhiệt độ trong mỗi chu kỳ lớn và nhanh. Ứng suất cao và các vết nứt phát triển nhanh chóng. Các vết nứt thường nghiêm trọng hơn và phân bố rộng hơn so với hiện tượng mỏi nhiệt.
Ngăn ngừa nứt sốc nhiệt
Cách phòng ngừa hiệu quả nhất là tránh những thay đổi nhanh chóng về dòng chảy ở bề mặt lò sưởi. Một máy bơm chạy liên tục sẽ loại bỏ chu kỳ sốc nhiệt. Nếu cần tiết kiệm năng lượng thì máy bơm-có tốc độ thay đổi giúp duy trì lưu lượng tối thiểu sẽ tốt hơn máy bơm bật/tắt.
Nếu không thể tránh khỏi việc đạp xe, chu kỳ phải đủ dài để cho phép nhiệt độ bề mặt bộ gia nhiệt ổn định giữa các chu kỳ. Chu kỳ 30 phút gây ra ít căng thẳng hơn chu kỳ 10 phút. Chu kỳ tối thiểu phụ thuộc vào khối lượng nhiệt của lò sưởi và bể chứa.
Lò sưởi có vỏ bọc PTFE dày hơn và mật độ watt thấp hơn có khối lượng nhiệt lớn hơn và nhiệt độ bề mặt thấp hơn. Nó phản ứng chậm hơn với những thay đổi trong dòng chảy và chịu áp lực sốc nhiệt thấp hơn.
| Biện pháp phòng ngừa | Tác dụng đối với sốc nhiệt | Thực hiện | Trị giá |
|---|---|---|---|
| Hoạt động bơm liên tục | Loại bỏ chu kỳ sốc | Thay đổi hoạt động | Chi phí năng lượng |
| Bơm tốc độ-có thể thay đổi | Duy trì lưu lượng tối thiểu | Nâng cấp máy bơm | Vừa phải |
| Chu kỳ dài hơn | Biên độ ứng suất thấp hơn | Kiểm soát thay đổi | Thấp |
| Mật độ watt thấp hơn | Nhiệt độ bề mặt thấp hơn | Thiết kế lò sưởi | Vừa phải |
| Vỏ dày hơn | Khối lượng nhiệt lớn hơn | Thiết kế lò sưởi | Vừa phải |
Biện pháp phòng chống nứt do sốc nhiệt
Khi vết nứt do sốc nhiệt cho thấy có vấn đề về thiết kế
Máy sưởi phát triển các vết nứt do sốc nhiệt mặc dù máy bơm hoạt động liên tục cho thấy rằng thiết kế máy sưởi hoặc cách bố trí bể đang tạo ra ứng suất nhiệt cục bộ. Cấu hình lò sưởi ngâm PTFE tùy chỉnh với mật độ watt thấp hơn, vỏ bọc dày hơn và vị trí-tối ưu hóa dòng chảy sẽ giải quyết nguyên nhân cốt lõi gây ra sốc nhiệt. Quá trình đặc tả yêu cầu lịch trình vận hành máy bơm, tốc độ dòng chảy ở bộ gia nhiệt, thành phần hóa học của bể và công suất yêu cầu. Đối với các cơ sở có hệ thống tuần hoàn không liên tục, phương pháp tiếp cận-dành riêng cho ứng dụng này giúp giảm nứt do sốc nhiệt và kéo dài tuổi thọ của máy sưởi.
