Un impianto chimico ha perso un riscaldatore a immersione in PTFE in una vasca nichelata dopo soli sette mesi di servizio. La guaina mostrava un disegno di sottili fessure intersecanti lungo la sezione riscaldata inferiore. Le crepe non erano concentrate sui bordi o sulla linea del liquido. Erano distribuiti nella zona prospiciente l'ingresso di ricircolo del serbatoio. La pompa di circolazione dell'impianto è stata programmata per accendersi e spegnersi ogni quindici minuti per risparmiare energia. Ogni ciclo della pompa imponeva uno shock termico alla superficie del riscaldatore.
La rottura da shock termico si verifica quando la superficie di un riscaldatore a immersione in PTFE subisce rapidi cambiamenti di temperatura che superano la capacità del polimero di assorbire la deformazione risultante. Le crepe si formano perché la superficie si espande o si contrae più velocemente del materiale sottostante. Nel tempo, lo stress ciclico provoca fessurazioni per fatica.
Come il ciclo della pompa crea shock termico
Quando la pompa di circolazione è in funzione, la velocità del fluido sulla superficie del riscaldatore è elevata. Lo strato limite è sottile e il trasferimento di calore è efficiente. La temperatura superficiale della guaina rimane entro 10-15 gradi rispetto al fluido sfuso.
Quando la pompa si ferma, la velocità del fluido sulla superficie del riscaldatore scende quasi a zero. Lo strato limite si ispessisce e l’efficienza del trasferimento di calore crolla. La temperatura superficiale della guaina aumenta, a volte di 20-30 gradi in pochi minuti. La dilatazione termica del PTFE aumenta.
Quando la pompa si riavvia, il flusso ad alta- velocità raffredda rapidamente la superficie. I contratti del PTFE. Il metallo sottostante, che non si è raffreddato così rapidamente, limita la contrazione. Il PTFE è sottoposto a sollecitazioni di trazione. Cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento causano fessurazioni per fatica.
| Periodo del ciclo della pompa | ΔT di superficie durante il ciclo spento | ΔT di superficie durante il ciclo attivo | Ampiezza dello stress | È ora di crack |
|---|---|---|---|---|
| 30 minuti acceso/spento | 15-20 gradi | 10-15 gradi | Moderare | 18-30 mesi |
| 15 minuti acceso/spento | 20-30 gradi | 15-20 gradi | Alto | 8-16 mesi |
| 10 minuti di accensione/spegnimento | 25-35 gradi | 18-25 gradi | Molto alto | 4-10 mesi |
| 5 minuti acceso/spento | 30–45 gradi | 20-30 gradi | Acuto | 2–6 mesi |
Frequenza del ciclo della pompa e suo effetto sulla rottura da shock termico
Perché le crepe si concentrano vicino all'ingresso
Le crepe si formano nel punto in cui lo shock termico è più grave-l'area rivolta verso l'ingresso di ricircolo. Quando la pompa si riavvia, il flusso in ingresso incide direttamente su quell'area. La superficie si raffredda più velocemente del resto del riscaldatore. Il gradiente termico tra l'area colpita e la superficie circostante crea lo stress più elevato.
Le crepe nel riscaldatore guasto erano concentrate in una fascia larga circa 150 mm, centrata sul percorso del flusso in ingresso. Il resto del riscaldatore mostrava solo un lieve scolorimento della superficie.
La differenza tra shock termico e fatica termica
Lo shock termico e la fatica termica sono correlati ma distinti. L'affaticamento termico si verifica quando il riscaldatore passa ciclicamente tra due temperature per un lungo periodo. La variazione di temperatura per ciclo è moderata e lo stress è basso. Le crepe si sviluppano lentamente, spesso nel corso degli anni.
Lo shock termico si verifica quando il cambiamento di temperatura per ciclo è ampio e rapido. Lo stress è elevato e le crepe si sviluppano rapidamente. Le cricche sono spesso più gravi e più ampiamente distribuite rispetto alla fatica termica.
Prevenire le crepe da shock termico
La prevenzione più efficace è evitare rapidi cambiamenti nel flusso sulla superficie del riscaldatore. Una pompa in funzionamento continuo elimina il ciclo di shock termico. Se è necessario risparmiare energia, una pompa a velocità-variabile che mantenga il flusso minimo è migliore di una pompa on/off.
Se il ciclo della pompa è inevitabile, il periodo del ciclo dovrebbe essere sufficientemente lungo da consentire alla temperatura della superficie del riscaldatore di stabilizzarsi tra un ciclo e l'altro. Un ciclo di 30 minuti impone meno stress di un ciclo di 10 minuti. La durata minima del ciclo dipende dalla massa termica del riscaldatore e del serbatoio.
Un riscaldatore con una guaina in PTFE più spessa e una densità di watt inferiore ha una massa termica maggiore e una temperatura superficiale inferiore. Risponde più lentamente ai cambiamenti di flusso e subisce uno stress da shock termico inferiore.
| Misura di prevenzione | Effetto sullo shock termico | Attuazione | Costo |
|---|---|---|---|
| Funzionamento continuo della pompa | Elimina il ciclo di shock | Cambiamento operativo | Costo energetico |
| Pompa-a velocità variabile | Mantiene il flusso minimo | Aggiornamento della pompa | Moderare |
| Periodo di ciclo più lungo | Ampiezza dello stress inferiore | Controllare il cambiamento | Basso |
| Densità di watt inferiore | Temperatura superficiale inferiore | Progettazione del riscaldatore | Moderare |
| Guaina più spessa | Più massa termica | Progettazione del riscaldatore | Moderare |
Misure di prevenzione delle fessurazioni da shock termico
Quando la rottura da shock termico indica un problema di progettazione
Un riscaldatore che sviluppa cricche da shock termico nonostante il funzionamento continuo della pompa indica che il design del riscaldatore o la disposizione del serbatoio stanno creando uno stress termico localizzato. Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con densità di watt inferiore, una guaina più spessa e una posizione di flusso-ottimizzata risolve la causa principale dello shock termico. Il processo di specifica richiede il programma di funzionamento della pompa, la velocità del flusso nel riscaldatore, la chimica del bagno e la potenza richiesta. Per gli impianti con circolazione intermittente, questo approccio specifico per l'applicazione-riduce le fessurazioni da shock termico e prolunga la durata del riscaldatore.
