תהליכי-וואקום גבוהים (לחץ < 0.01 בר אבסולוטי) יוצרים הפרש לחץ גדול על פני מעטפת ה-PFA: לחץ אטמוספרי חיצוני של 1 בר דוחף פנימה, עם ואקום קרוב ל- בתוך המיכל. עבור מחמם PFA סטנדרטי, הרווח הטבעתי הפנימי בין ליבת המתכת למעטפת ה-PFA הוא בלחץ אטמוספרי (1 בר) מכיוון שהוא אינו אטום מהסביבה. במהלך פעולת ואקום, הנדן חווה לחץ פנימה נטו של כ-0.99 בר. מתח החישוק שנוצר הוא דחיסה, לא מתיחה. PFA חזק יותר בדחיסה מאשר במתח, אבל מצב הכשל העיקרי הוא התכווצות או קריסה של הצינור הדק{10}הדופן. עבור 25 מ"מ OD, 2 מ"מ קיר PFA צינור, הלחץ החיצוני הקריטי עבור קריסה הוא בערך 2-3 בר. הפרש של 1 בר נמצא מתחת לזה, ולכן קריסה לא מתרחשת בטמפרטורת החדר. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות (80-150 מעלות), מודול ה-PFA יורד ב-50-70%, ולחץ הקריסה הקריטי יכול לרדת מתחת ל-1 בר. תכנון -מתומך בלחץ- שבו הרווח הטבעתי הפנימי נלחץ עם חנקן יבש כדי להתאים לוואקום החיצוני-מונע קריסה. עיצוב זה מומלץ לתהליכי ואקום מעל 80 מעלות.
מנגנון קריסה ולחץ קריטי
הלחץ החיצוני הקריטי עבור צינור עם דופן דק- ניתן על ידי P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, כאשר E הוא המודול של יאנג, ν הוא היחס של Poisson (0.45 עבור PFA), t הוא עובי הדופן, ו-D הוא קוטר ממוצע. ב-20 מעלות, E=600 MPa, t=2 מ"מ, D=23 מ"מ, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1,200 / 0.7975){0) × (0}³,08) × (0}³,08) 0.000658=0.99 פס. ב-20 מעלות, הלחץ הקריטי הוא בערך 1 בר-בשוליים. כל חוסר שלמות מפחית אותו. ב-100 מעלות, E יורד ל-250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0.7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 סרגל. צינור PFA סטנדרטי ב-100 מעלות קורס תחת ואקום של הפרש של 0.41 בר. מכיוון שההפרש בפועל הוא 0.99 בר, קריסה בטוחה. עדויות שדה: מחממי PFA בתהליכי ואקום ב-80-120 מעלות מראים לעתים קרובות מעטפות ממוטטות-ה-PFA משוטח כנגד ליבת המתכת, לפעמים עם קמטים היקפיים. הקריסה אינה גורמת מיד לכשל חשמלי, אך היא יוצרת מתח שיורי גבוה ועלולה לסדוק את ה-PFA במהלך רכיבה תרמית שלאחר מכן.
לחץ-עיצוב מתוגמל
למחמם PFA בפיצוי-לחץ יש מרווח טבעתי אטום בין ליבת המתכת למעטפת ה-PFA. במהלך הייצור, הרווח פונה וממלא בחנקן יבש ללחץ של 0.5-1.0 בר מוחלט. וסת לחץ קטן או איטום חד פעמי (לדוגמה, צינור מתכת מכווץ) שומרים על הלחץ הפנימי. כאשר המחמם ממוקם בתא ואקום (למשל, 0.01 בר), הלחץ הפנימי (נניח 0.8 בר) יוצר הפרש של 0.79 בר בלבד כלפי חוץ (מבפנים אל חוץ), לא פנימה. נדן PFA חווה מתח חישוק מתיחה, לא דחיסה. מתח מתיחה אינו גורם לקריסה. הלחץ החיצוני הקריטי לקרע הוא הרבה יותר גבוה (10-20 בר). המחמם נשאר יציב.
לעיצוב -מתומך לחץ יש שני אתגרים: (1) יש לשמור על האיטום לאורך חיי המחמם, כולל רכיבה תרמית. אטמי מתכת-ל-PFA (אביזרי דחיסה) נוטים לדלוף עם הזמן. אטם מפוח מתכת מרותך או אטם זכוכית-ל-מתכת הם אמינים יותר. (2) הלחץ הפנימי גדל עם הטמפרטורה (PV=nRT). מחמם מלא ב-0.8 בר ב-20 מעלות יגיע ל-1.2 בר ב-150 מעלות. ה-PFA חייב לעמוד בלחץ החישוק הנוסף הזה. עבור דופן של 2 מ"מ, 25 מ"מ OD, לחץ פנימי של 1.2 בר נותן מתח חישוק=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa- זניח.
השוואת מניעת התמוטטות
| עיצוב תנור חימום | לחץ מרווח פנימי (בר abs) | ואקום חיצוני (בר abs) | הפרש נטו (סרגל) | כיוון | להתמוטט ב-20 מעלות? | להתמוטט ב-100 מעלות? | מתאים לוואקום גבוה? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| סטנדרטי (מאוורר) | 1.0 | 0.01 | 0.99 פנימה | לוחץ | לא (שולי) | כן (התמוטטות) | לא (מעל 50 מעלות) |
| סטנדרטי (אוורור) עם דופן עבה (3 מ"מ) | 1.0 | 0.01 | 0.99 פנימה | לוחץ | לֹא | לא (פס P_crit=1.4 ב-100 מעלות) | כן, אבל העברת חום כבדה ודלה |
| פיצוי בלחץ-(אטום, מילוי של 0.5 בר) | 0.5 | 0.01 | 0.49 כלפי חוץ | מתיחה | לֹא | לֹא | כן (כל הטמפרטורות) |
| פיצוי על לחץ-(אטום, מילוי של 0.8 בר) | 0.8 | 0.01 | 0.79 כלפי חוץ | מתיחה | לֹא | לֹא | כן (עיצוב סטנדרטי) |
| לחץ-פוצה עם התייחסות לוואקום | 1.0 (מוסדר להתאמה חיצונית) | 0.01 | 0 (מאוזן) | אַף לֹא אֶחָד | לֹא | לֹא | אידיאלי (מורכב) |
| דופן-כפולה (PFA מעל ליבת מתכת, ללא פער) | לא רלוונטי (ללא פער) | N/A | N/A | N/A | לֹא | לֹא | כן (הליבה תומכת ב-PFA) |
הדרכה ליישום לתהליכי ואקום
עבור תהליכי ואקום מתחת ל-50 מעלות, מחמם PFA סטנדרטי (2 מ"מ קיר) מקובל כי E נשאר גבוה (≈ 500 MPa) ו-P_crit ≈ 0.8 בר-עדיין מתחת להפרש של 0.99 בר? למעשה 0.8 < 0.99, כך שקריסה עדיין אפשרית. השוליים קטנים. למען אמינות, השתמש בלחץ-שמפוצה על כל ואקום מתחת ל-0.1 בר.
עבור תהליכי ואקום מעל 50 מעלות, נדרש מחמם-מתומך בלחץ. ללא פיצוי, קריסה בטוחה תוך שעות או ימים. תסמיני קריסה: (1) המחמם מרגיש שטוח או בעל קמטים; (2) התנגדות הבידוד יורדת כאשר ה-PFA נסדק; (3) המחמם שואב זרם גבוה יותר (חתך -הליבה מופחת? לא סביר). החלף מיד את תנורי החימום שהתמוטטו.
עבור תהליכי ואקום מעל 150 מעלות, ייתכן ש-PFA אפילו בפיצוי-עם לחץ לא יספיק בגלל זחילה. ב-150 מעלות , E=150 MPa, ה-PFA עדיין יכול לתמוך בלחץ החיצוני, אך זחילה לאורך זמן עלולה לגרום למעטפת לבלון. השתמש בעיצוב קיר כפול- שבו ה-PFA נתמך על ידי צינור מתכת מחורר. צינור המתכת נושא את עומס הלחץ; ה-PFA מספק עמידות כימית.
דוגמה לשדה
תא ייבוש ואקום מוליכים למחצה המופעל ב-120 מעלות, 0.01 בר. מחממי PFA סטנדרטיים קרסו תוך חודשיים, והראו מעטפות מקומטות. המפעל עבר לתנורי חימום-מתומכים בלחץ (0.8 בר חנקן פנימי, אטום). תנורי החימום פעלו 3 שנים ללא קריסה. העלות הנוספת (30% פרמיה) הוחזרה תוך 6 חודשים באמצעות זמן השבתה שבוטל.
מסקנה: פיצוי לחץ מונע קריסה בוואקום גבוה-
מחממי PFA סטנדרטיים קורסים תחת ואקום גבוה בטמפרטורות מעל 50 מעלות מכיוון שמודול ה-PFA יורד, מה שמפחית לחץ חיצוני קריטי מתחת להפרש של 1 בר. לחץ-תכנונים מפוצים- שבהם הרווח הטבעתי הפנימי אטום ונלחץ עם חנקן יבש ל-0.5-0.8 בר-מונעים קריסה על ידי יצירת הפרש לחץ קטן כלפי חוץ (מתח חישוק מתיחה) במקום פנימה (דחיסה). עבור כל תהליך ואקום מתחת ל-0.1 בר אבסולוטי ומעל ל-50 מעלות, ציין -מחממי PFA עם פיצוי על לחץ. עבור טמפרטורות מעל 150 מעלות, השתמש ב-PFA כפול-מתכת קיר-נתמך. אל תסתכן בקריסה. תנור חימום ממוטט הוא תנור חימום כושל. פיצוי את הלחץ, או שהוואקום ימוטט את המחמם שלך. בחר פיצוי.
