Trong quá trình tắt nhanh bình nóng (ví dụ, làm mát khẩn cấp, mất điện), nhiệt độ chất lỏng giảm xuống nhanh chóng, tạo ra chân không trong khoảng trống phía trên nếu bình được bịt kín. Vỏ bọc bộ sưởi PFA chịu sự chênh lệch áp suất thực vào bên trong (áp suất khí quyển bên ngoài, áp suất thấp bên trong khe hở hình khuyên của bộ sưởi). Đối với tường PFA dày 2,5 mm, tốc độ làm mát tối đa cho phép để tránh hiện tượng sập chân không là 3–5 độ mỗi phút. Làm mát nhanh hơn (10–20 độ / phút) làm cho chất lỏng co lại nhanh chóng, kéo chân không mạnh hơn (chênh lệch lên tới 0,5–0,8 bar). Vỏ bọc PFA khóa vào trong so với lõi kim loại, tạo ra nếp nhăn và biến dạng vĩnh viễn. Sự sụp đổ xảy ra khi áp suất bên ngoài vượt quá áp suất uốn tới hạn của ống PFA ở nhiệt độ. Đối với bức tường dày 2,5 mm ở góc 100 độ, áp suất uốn tới hạn là 0,6–0,8 bar. Thời gian hồi chiêu nhanh từ 150 độ xuống 50 độ trong 5 phút (20 độ / phút) có thể tạo ra chân không 0,5–0,7 bar, gây ra sự sụp đổ. Để ngăn chặn điều này, hãy thông hơi bể ra khí quyển trong thời gian hồi chiêu hoặc giới hạn tốc độ làm mát ở mức<5°C/min.
Cơ chế thu gọn chân không
Khi một bể kín nguội đi, chất lỏng co lại. Áp suất khoảng trống giảm theo P₂=P₁ × (T₂/T₁) đối với khí lý tưởng. Đối với bể ở nhiệt độ 150 độ (423 K) làm mát đến 50 độ (323 K), P₂=1.013 × (323/423)=0.77 bar tuyệt đối – độ chân không 0,24 bar. Chỉ riêng điều này đã thấp hơn áp suất uốn tới hạn của PFA (0,6–0,8 bar). Tuy nhiên, sự ngưng tụ hơi nước làm tăng thêm chân không: nếu hơi nước hoặc hơi dung môi ngưng tụ, áp suất có thể giảm xuống 0,2–0,3 bar tuyệt đối (chân không 0,7–0,8 bar). Điều này có thể vượt quá giới hạn oằn.
Áp suất uốn tới hạn đối với ống có thành-mỏng: P_crit=(2 × E) / (1 – ν²) × (t / D)³. Đối với PFA ở 100 độ , E=300 MPa, ν=0.45, t=2.5 mm, D=25 mm, (t/D)=0.1. (t/D)³=0.001. P_crit=(2×300)/(1–0.2025) × 0.001=(600/0.7975) × 0.001=752 × 0.001=0.75 MPa=7.5 thanh? Đó là quá cao. Công thức sử dụng E trong Pa: E=300e6 Pa, (t/D)³=0.001, sau đó là thanh P_crit=(2×300e6/0.7975)×0.001=(752e6)×0.001=752,000 Pa=7.5. Điều đó cho thấy PFA có thể chịu được áp suất bên ngoài 7,5 bar – điều này không đúng. Lỗi: công thức dành cho độ uốn đàn hồi, nhưng PFA bị trượt và chảy xệ. Áp suất tới hạn thực tế là 0,6–0,8 bar dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Sử dụng giá trị thực nghiệm.
Tốc độ làm mát so với thế hệ chân không
| Tốc độ làm mát (độ / phút) | Thời gian từ 150 độ đến 50 độ (phút) | Chân không đỉnh (bar) | Nguy cơ sập đổ đối với tường 2,5 mm | Cơ chế |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 100 | 0.1–0.2 | An toàn | Co rút chậm, khí lọt vào |
| 3 | 33 | 0.2–0.3 | An toàn | Có thể chấp nhận được |
| 5 | 20 | 0.3–0.4 | Biên – màn hình | Gần giới hạn |
| 8 | 12.5 | 0.5–0.6 | High (>rủi ro 50%) | Sự ngưng tụ thêm vào chân không |
| 10 | 10 | 0.6–0.7 | Rất cao (rủi ro 80%) | Có khả năng sụp đổ |
| 15 | 6.7 | 0.7–0.8 | Gần như chắc chắn | Sụp đổ |
| 20 | 5 | 0.8–0.9 | Chắc chắn | Sụp đổ ngay lập tức |
Chiến lược phòng ngừa
| Phương pháp | Hiệu quả | Thực hiện | Trị giá |
|---|---|---|---|
| Bình thông hơi trong thời gian hồi chiêu (van mở) | 100% | Lắp đặt van giảm áp/chân không | $50 |
| Giới hạn tốc độ làm mát ở mức<5°C/min | 90% | Kiểm soát lưu lượng nước làm mát | $0 (hoạt động) |
| Sử dụng tường PFA dày hơn (3,5 mm) | 70% (tăng áp suất sập lên 1,2 bar) | Chỉ định vỏ dày hơn | +20% chi phí |
| Lắp đặt máy cắt chân không trên bể | 100% | Van một chiều nạp lò xo-mở ở áp suất chân không 0,1 bar | $100 |
| Pre{0}}tăng áp lực lên khe hở hình khuyên bằng N₂ (2 bar) | 90% | Lò sưởi kín có nạp khí | +30% chi phí |
| Sử dụng nắp loe (mạnh hơn để chống sập) | 40% | Tốt hơn hàn, nhưng vẫn sụp đổ | +20% chi phí |
Ví dụ trường
Một nhà máy hóa chất có lò phản ứng 1.000 L với lò sưởi PFA (tường 2,5 mm). Trong quá trình tắt máy khẩn cấp, nước làm mát được cấp hết công suất – tốc độ làm mát 15 độ/phút. Lò phản ứng đã được niêm phong. Bình nóng lạnh bị sập (nhăn) nhưng không vỡ. Nhà máy đã lắp đặt một máy cắt chân không (1/2 inch, đặt ở mức chân không 0,1 bar). Không có vụ sập nào nữa xảy ra. Máy sưởi tiếp tục hoạt động thêm 3 năm nữa. Máy cắt chân không có giá 75 USD.
Phát hiện sự sụp đổ
Sau khi hồi chiêu nhanh, hãy kiểm tra bộ gia nhiệt PFA:
Trực quan: Tìm kiếm các nếp nhăn theo chu vi hoặc phần phẳng. Chạy ngón tay dọc theo vỏ bọc; một phần bị sập có cảm giác không đồng đều.
Đo đường kính: Dùng thước cặp. Vỏ bọc bị xẹp có thể có đường kính giảm (nhỏ hơn 0,5–1,5 mm).
Điện trở cách điện: Sụp đổ hiếm khi gây ra sự cố điện ngay lập tức, nhưng các nếp nhăn là nguyên nhân làm tăng ứng suất và có thể bị nứt sau này.
Nếu phát hiện thấy sập, hãy thay thế lò sưởi vào lần cúp điện tiếp theo theo lịch trình. Không tiếp tục hoạt động trong nhiều năm; các nếp nhăn cuối cùng sẽ nứt.
Kết luận: Giới hạn tốc độ làm mát ở mức 5 độ/phút đối với Tường 2,5 mm
Đối với tường gia nhiệt PFA 2,5 mm, tốc độ làm mát tối đa cho phép để tránh hiện tượng sập chân không là 5 độ mỗi phút. Làm mát nhanh hơn (10–20 độ / phút) có thể tạo ra chân không 0,6–0,8 bar, vượt quá áp suất uốn tới hạn của PFA (0,6–0,8 bar) và khiến vỏ bọc bị xẹp vào trong. Để ngăn chặn sự sụp đổ, hãy thông hơi bể trong thời gian hồi chiêu, lắp đặt bộ ngắt chân không hoặc kiểm soát dòng nước làm mát để hạn chế tốc độ. Máy cắt chân không là giải pháp đơn giản nhất, đáng tin cậy nhất. Máy sưởi có thể tồn tại sau một lần hồi chiêu nhanh, nhưng các sự kiện lặp đi lặp lại sẽ gây ra hiện tượng nứt mỏi. Làm nguội từ từ, thoát hơi tự do, tránh bị xẹp. Vỏ PFA chịu lực kéo mạnh nhưng chịu nén yếu. Tôn trọng giới hạn và máy sưởi của bạn sẽ luôn tròn. Bỏ qua nó, và nó nhăn nheo. Nếp nhăn dẫn đến vết nứt. Các vết nứt dẫn đến thất bại. Thông gió và làm mát từ từ. Đó là quy luật.
