Химический завод потерял погружной нагреватель из ПТФЭ в никелированном резервуаре всего через семь месяцев эксплуатации. На оболочке виднелся узор из мелких пересекающихся трещин вдоль нижней нагретой секции. Трещины не были сконцентрированы по краям или линии жидкости. Они были распределены по площади, обращенной к рециркуляционному входу резервуара. Циркуляционный насос станции был запрограммирован на включение и выключение каждые пятнадцать минут для экономии энергии. Каждый цикл накачки вызывал тепловой удар на поверхности нагревателя.
Растрескивание при термическом ударе происходит, когда поверхность погружного нагревателя из ПТФЭ испытывает быстрые изменения температуры, которые превышают способность полимера выдерживать возникающую деформацию. Трещины образуются потому, что поверхность расширяется или сжимается быстрее, чем основной материал. Со временем циклическое напряжение вызывает усталостное растрескивание.
Как работа насоса вызывает тепловой шок
При работе циркуляционного насоса скорость жидкости на поверхности нагревателя высокая. Пограничный слой тонкий, и передача тепла эффективна. Температура поверхности оболочки остается в пределах 10–15 градусов температуры основной жидкости.
Когда насос останавливается, скорость жидкости на поверхности нагревателя падает почти до нуля. Пограничный слой утолщается, и эффективность теплопередачи падает. Температура поверхности ножен повышается, иногда на 20–30 градусов в течение нескольких минут. Тепловое расширение ПТФЭ увеличивается.
Когда насос перезапускается, высокоскоростной-поток быстро охлаждает поверхность. Контракты из ПТФЭ. Подлежащий металл, который не остыл так быстро, сдерживает сжатие. ПТФЭ испытывает растягивающее напряжение. Повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения вызывают усталостное растрескивание.
| Период цикла насоса | ΔT поверхности во время выключенного цикла | ΔT поверхности во время рабочего цикла | Амплитуда стресса | Время взломать |
|---|---|---|---|---|
| 30 минут вкл./выкл. | 15–20 градусов | 10–15 градусов | Умеренный | 18–30 месяцев |
| 15 минут вкл./выкл. | 20–30 градусов | 15–20 градусов | Высокий | 8–16 месяцев |
| 10 минут вкл./выкл. | 25–35 градусов | 18–25 градусов | Очень высокий | 4–10 месяцев |
| 5 минут вкл/выкл | 30–45 градусов | 20–30 градусов | Серьезный | 2–6 месяцев |
Частота включения насоса и ее влияние на растрескивание при термическом ударе
Почему трещины концентрируются возле входного отверстия
Трещины образуются там, где термический удар наиболее силен-в области, обращенной к впускному отверстию рециркуляции. Когда насос перезапускается, входящий поток попадает непосредственно в эту область. Поверхность там остывает быстрее, чем остальная часть обогревателя. Термический градиент между зоной воздействия и окружающей поверхностью создает наибольшее напряжение.
Трещины в вышедшем из строя нагревателе были сосредоточены в полосе шириной около 150 мм, расположенной по центру входного тракта. На остальной части нагревателя наблюдалось лишь незначительное изменение цвета поверхности.
Разница между тепловым шоком и тепловой усталостью
Термический шок и термическая усталость связаны, но различны. Термическая усталость возникает, когда нагреватель переключается между двумя температурами в течение длительного периода времени. Изменение температуры за цикл умеренное, а нагрузка низкая. Трещины развиваются медленно, часто в течение многих лет.
Термический шок возникает, когда изменение температуры за цикл велико и быстро. Напряжение велико, и трещины развиваются быстро. Трещины часто более серьезные и более распространенные, чем при термической усталости.
Предотвращение растрескивания при термическом ударе
Наиболее эффективной мерой профилактики является предотвращение резких изменений потока на поверхности нагревателя. Постоянно работающий насос исключает цикл термического удара. Если требуется экономия энергии, лучше использовать насос с регулируемой-скоростью, который поддерживает минимальный расход, чем двухпозиционный насос.
Если смена насоса неизбежна, период цикла должен быть достаточно продолжительным, чтобы позволить температуре поверхности нагревателя стабилизироваться между циклами. 30-минутный цикл вызывает меньший стресс, чем 10-минутный цикл. Минимальный период цикла зависит от тепловой массы нагревателя и бака.
Нагреватель с более толстой оболочкой из ПТФЭ и меньшей плотностью ватт имеет большую тепловую массу и более низкую температуру поверхности. Он медленнее реагирует на изменения потока и испытывает меньшую нагрузку от термического удара.
| Меры профилактики | Влияние на тепловой шок | Выполнение | Расходы |
|---|---|---|---|
| Непрерывная работа насоса | Устраняет шоковый цикл | Операционные изменения | Стоимость энергии |
| Насос с регулируемой-скоростью | Поддерживает минимальный поток | Модернизация насоса | Умеренный |
| Более длительный период цикла | Меньшая амплитуда напряжения | Изменение управления | Низкий |
| Меньшая плотность ватт | Более низкая температура поверхности | Конструкция обогревателя | Умеренный |
| Более толстая оболочка | Больше тепловой массы | Конструкция обогревателя | Умеренный |
Меры профилактики термического растрескивания
Когда растрескивание при термическом ударе указывает на проблему конструкции
Нагреватель, в котором образуются трещины от термического удара, несмотря на непрерывную работу насоса, указывает на то, что конструкция нагревателя или расположение резервуара создают локальное тепловое напряжение. Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с меньшей удельной мощностью, более толстой оболочкой и оптимизированным для потока-положением устраняет основную причину теплового удара. Процесс спецификации требует графика работы насоса, скорости потока в нагревателе, химического состава ванны и необходимой мощности. Для объектов с прерывистой циркуляцией этот-специальный подход снижает растрескивание при термическом ударе и продлевает срок службы нагревателя.
