Et kjemisk anlegg mistet en PTFE-dyppeovn i en nikkelbeleggtank etter bare sju måneders bruk. Kappen viste et mønster av fine, kryssende sprekker langs den nedre oppvarmede delen. Sprekkene var ikke konsentrert i kantene eller væskelinjen. De var fordelt over området som vendte mot tankens resirkuleringsinnløp. Anleggets sirkulasjonspumpe var programmert til å gå av og på hvert kvarter for å spare energi. Hver pumpesyklus påførte et termisk sjokk på varmeoverflaten.
Termisk sjokksprekking oppstår når en PTFE-dykkvarmeroverflate opplever raske temperaturendringer som overstiger polymerens evne til å imøtekomme den resulterende belastningen. Sprekkene dannes fordi overflaten ekspanderer eller trekker seg sammen raskere enn det underliggende materialet. Over tid forårsaker det sykliske stresset tretthetssprekker.
Hvordan pumpesykling skaper termisk sjokk
Når sirkulasjonspumpen er i gang, er væskehastigheten på varmeoverflaten høy. Grenselaget er tynt, og varmeoverføringen er effektiv. Hylsetemperaturen holder seg innenfor 10–15 grader fra bulkvæsken.
Når pumpen stopper, synker væskehastigheten ved varmeoverflaten til nær null. Grenselaget tykner, og varmeoverføringseffektiviteten kollapser. Overflatetemperaturen på hylsen stiger, noen ganger med 20–30 grader i løpet av minutter. Den termiske utvidelsen av PTFE øker.
Når pumpen starter på nytt, kjøler den høye-hastigheten overflaten raskt ned. PTFE-kontraktene. Det underliggende metallet, som ikke har avkjølt like raskt, begrenser sammentrekningen. PTFE opplever strekkspenning. Gjentatte sykluser med oppvarming og avkjøling forårsaker tretthetssprekker.
| Pumpesyklusperiode | Overflate ΔT under av-syklus | Overflate ΔT under påsyklus | Stressamplitude | På tide å knekke |
|---|---|---|---|---|
| 30 minutter på/av | 15–20 grader | 10–15 grader | Moderat | 18–30 måneder |
| 15 minutter på/av | 20–30 grader | 15–20 grader | Høy | 8–16 måneder |
| 10 minutter på/av | 25–35 grader | 18–25 grader | Veldig høy | 4–10 måneder |
| 5 minutter på/av | 30–45 grader | 20–30 grader | Alvorlig | 2–6 måneder |
Pumpesyklingfrekvens og dens effekt på termisk sjokksprekking
Hvorfor sprekkene konsentreres nær innløpet
Sprekkene dannes der det termiske sjokket er mest alvorlig-området som vender mot resirkulasjonsinntaket. Når pumpen starter på nytt, treffer innløpsstrømmen direkte på det området. Overflaten der avkjøles raskere enn resten av varmeren. Den termiske gradienten mellom det påkjørte området og den omkringliggende overflaten skaper den høyeste spenningen.
Sprekkene i den defekte varmeren var konsentrert i et bånd ca. 150 mm bredt, sentrert på innløpsstrømningsbanen. Resten av varmeren viste kun mindre overflatemisfarging.
Forskjellen mellom termisk sjokk og termisk tretthet
Termisk sjokk og termisk tretthet er relaterte, men forskjellige. Termisk tretthet oppstår når varmeren går mellom to temperaturer over en lang periode. Temperaturendringen per syklus er moderat, og stresset er lavt. Sprekkene utvikler seg sakte, ofte over år.
Termisk sjokk oppstår når temperaturendringen per syklus er stor og rask. Spenningen er høy, og sprekkene utvikler seg raskt. Sprekkene er ofte mer alvorlige og mer spredt enn ved termisk tretthet.
Forhindrer termisk sjokksprekking
Den mest effektive forebyggingen er å unngå raske endringer i strømning ved varmeoverflaten. En kontinuerlig pumpe eliminerer termisk sjokksyklus. Hvis det kreves energisparing, er en pumpe med variabel-hastighet som opprettholder minimumsstrøm bedre enn en på/av-pumpe.
Hvis pumpesyklus er uunngåelig, bør syklusperioden være lang nok til å la varmeovnens overflatetemperatur stabilisere seg mellom syklusene. En 30-minutters syklus påfører mindre stress enn en 10-minutters syklus. Minimum syklusperiode avhenger av den termiske massen til varmeren og tanken.
En varmeovn med en tykkere PTFE-kappe og en lavere watttetthet har mer termisk masse og lavere overflatetemperatur. Den reagerer langsommere på endringer i flyt og opplever lavere termisk sjokkbelastning.
| Forebyggende tiltak | Effekt på termisk sjokk | Implementering | Koste |
|---|---|---|---|
| Kontinuerlig pumpedrift | Eliminerer sjokksyklus | Driftsendring | Energikostnad |
| Pumpe med variabel-hastighet | Opprettholder minimum flyt | Pumpeoppgradering | Moderat |
| Lengre syklusperiode | Lavere spenningsamplitude | Kontrollendring | Lav |
| Lavere watttetthet | Lavere overflatetemperatur | Varmeapparat design | Moderat |
| Tykkere slire | Mer termisk masse | Varmeapparat design | Moderat |
Forebyggende tiltak for termisk sjokksprekking
Når termisk sjokksprekking indikerer et designproblem
En varmeovn som utvikler termiske støtsprekker til tross for kontinuerlig pumpedrift, indikerer at varmeapparatets design eller tankoppsettet skaper lokalisert termisk stress. En tilpasset PTFE el-varmerkonfigurasjon med lavere watttetthet, en tykkere kappe og en strømnings-optimalisert posisjon adresserer årsaken til termisk sjokk. Spesifikasjonsprosessen krever pumpens driftsplan, strømningshastigheten ved varmeren, badets kjemi og nødvendig effekt. For anlegg med intermitterende sirkulasjon reduserer denne applikasjons-spesifikke tilnærmingen termisk støtsprekker og forlenger levetiden til varmeapparatet.
