Kemična tovarna je izgubila PTFE potopni grelnik v posodi za nikljanje po samo sedmih mesecih delovanja. Plašč je pokazal vzorec finih, sekajočih se razpok vzdolž spodnjega ogrevanega dela. Razpoke niso bile koncentrirane na robovih ali liniji tekočine. Porazdeljeni so bili po območju, ki je bilo obrnjeno proti vstopu v recirkulacijo rezervoarja. Obtočna črpalka elektrarne je bila programirana tako, da se vklopi in izklopi vsakih petnajst minut, da prihrani energijo. Vsak cikel črpalke je povzročil toplotni šok na površini grelnika.
Do razpok zaradi termičnega šoka pride, ko površina potopnega grelnika PTFE doživi hitre temperaturne spremembe, ki presegajo sposobnost polimera, da prenese nastalo obremenitev. Razpoke nastanejo, ker se površina širi ali krči hitreje kot spodnji material. Sčasoma ciklična obremenitev povzroči pokanje zaradi utrujenosti.
Kako kroženje črpalke povzroči toplotni udar
Ko obtočna črpalka deluje, je hitrost tekočine na površini grelnika visoka. Mejna plast je tanka, prenos toplote pa učinkovit. Temperatura površine plašča ostaja znotraj 10–15 stopinj tekočine v razsutem stanju.
Ko se črpalka ustavi, hitrost tekočine na površini grelnika pade skoraj na nič. Mejna plast se zgosti in učinkovitost prenosa toplote se zmanjša. Temperatura površine plašča se dvigne, včasih za 20–30 stopinj v nekaj minutah. Toplotna ekspanzija PTFE se poveča.
Ko se črpalka znova zažene, visoko{0}}hitrostni tok hitro ohladi površino. PTFE se skrči. Spodnja kovina, ki se ni tako hitro ohladila, omejuje krčenje. PTFE doživlja natezno obremenitev. Ponavljajoči se cikli segrevanja in ohlajanja povzročajo razpoke zaradi utrujenosti.
| Obdobje cikla črpalke | Površina ΔT med ciklom izklopa | Površina ΔT med ciklom vklopa | Amplituda stresa | Čas za krek |
|---|---|---|---|---|
| 30 minut vklop/izklop | 15-20 stopinj | 10-15 stopinj | Zmerno | 18–30 mesecev |
| 15 minut vklop/izklop | 20-30 stopinj | 15-20 stopinj | visoko | 8–16 mesecev |
| 10 minut vklop/izklop | 25-35 stopinj | 18-25 stopinj | Zelo visoko | 4–10 mesecev |
| 5 minut vklop/izklop | 30-45 stopinj | 20-30 stopinj | Huda | 2–6 mesecev |
Pogostost kroženja črpalke in njen vpliv na razpoke zaradi termičnega šoka
Zakaj se razpoke koncentrirajo blizu dovoda
Razpoke nastanejo tam, kjer je toplotni udar najmočnejši-območje, ki je obrnjeno proti dovodu recirkulacije. Ko se črpalka znova zažene, dovodni tok vpliva neposredno na to območje. Tam se površina ohladi hitreje kot preostali del grelnika. Toplotni gradient med prizadetim območjem in okoliško površino ustvarja največjo obremenitev.
Razpoke v pokvarjenem grelniku so bile koncentrirane v pasu, širokem približno 150 mm, s središčem na vstopni poti toka. Preostali del grelnika je pokazal le manjšo površinsko razbarvanje.
Razlika med termičnim šokom in toplotno utrujenostjo
Toplotni šok in toplotna utrujenost sta povezana, vendar različna. Toplotna utrujenost se pojavi, ko grelnik dlje časa niha med dvema temperaturama. Sprememba temperature na cikel je zmerna, stres pa nizek. Razpoke nastajajo počasi, pogosto več let.
Toplotni šok se pojavi, ko je sprememba temperature na cikel velika in hitra. Obremenitev je visoka in razpoke se hitro razvijejo. Razpoke so pogosto resnejše in bolj razširjene kot pri toplotni utrujenosti.
Preprečevanje razpok zaradi toplotnega udara
Najbolj učinkovito preprečevanje je izogibanje hitrim spremembam pretoka na površini grelnika. Neprekinjeno delujoča črpalka odpravlja cikel toplotnega šoka. Če so potrebni prihranki energije, je črpalka s spremenljivo-hitrostjo, ki ohranja minimalni pretok, boljša od črpalke za vklop/izklop.
Če je ciklično spreminjanje črpalke neizogibno, mora biti obdobje cikla dovolj dolgo, da se temperatura površine grelnika lahko stabilizira med cikli. 30-minutni cikel pomeni manj stresa kot 10-minutni cikel. Minimalno obdobje cikla je odvisno od toplotne mase grelnika in rezervoarja.
Grelec z debelejšim PTFE plaščem in nižjo gostoto v vatih ima večjo toplotno maso in nižjo površinsko temperaturo. Počasneje se odziva na spremembe pretoka in doživlja nižjo obremenitev zaradi toplotnega šoka.
| Preprečevalni ukrep | Vpliv na toplotni šok | Izvedba | Stroški |
|---|---|---|---|
| Neprekinjeno delovanje črpalke | Odpravlja šok cikel | Operativna sprememba | Stroški energije |
| Črpalka-s spremenljivo hitrostjo | Ohranja minimalni pretok | Nadgradnja črpalke | Zmerno |
| Daljše obdobje cikla | Nižja amplituda napetosti | Kontrolna sprememba | Nizka |
| Nižja gostota vatov | Nižja površinska temperatura | Oblikovanje grelnika | Zmerno |
| Debelejši plašč | Več toplotne mase | Oblikovanje grelnika | Zmerno |
Ukrepi za preprečevanje razpok zaradi toplotnega šoka
Ko pokanje zaradi toplotnega udara kaže na konstrukcijsko težavo
Grelec, ki kljub neprekinjenemu delovanju črpalke razvije razpoke zaradi toplotnega udara, kaže, da zasnova grelnika ali postavitev rezervoarja ustvarja lokalizirano toplotno obremenitev. Konfiguracija potopnega grelnika iz PTFE po meri z nižjo gostoto v vatih, debelejšim plaščem in položajem,-optimiziranim za pretok, obravnava glavni vzrok toplotnega šoka. Postopek specifikacije zahteva urnik delovanja črpalke, hitrost pretoka v grelniku, kemijo kopeli in zahtevano moč. Pri napravah s prekinjenim kroženjem ta-specifični pristop zmanjša nastanek razpok zaradi toplotnega udara in podaljša življenjsko dobo grelnika.
