מפעל כימי איבד מחמם טבילה PTFE במיכל ציפוי ניקל לאחר שבעה חודשי שירות בלבד. הנדן הראה תבנית של סדקים עדינים ומצטלבים לאורך החלק המחומם התחתון. הסדקים לא התרכזו בקצוות או בקו הנוזל. הם הופצו על פני השטח שפונה לפתח המחזור של המיכל. משאבת הסחרור של המפעל תוכננה להפעיל ולכבות כל רבע שעה כדי לחסוך באנרגיה. כל מחזור משאבה הטיל זעזוע תרמי על משטח המחמם.
פיצוח הלם תרמי מתרחש כאשר משטח מחמם טבילה PTFE חווה שינויי טמפרטורה מהירים העולים על יכולתו של הפולימר להכיל את המתח שנוצר. הסדקים נוצרים מכיוון שהמשטח מתרחב או מתכווץ מהר יותר מהחומר הבסיסי. לאורך זמן, הלחץ המחזורי גורם לפיצוח עייפות.
כיצד רכיבה על אופניים במשאבה יוצרת הלם תרמי
כאשר משאבת המחזור פועלת, מהירות הנוזל במשטח המחמם גבוהה. שכבת הגבול דקה, והעברת החום יעילה. טמפרטורת פני המעטפת נשארת בטווח של 10-15 מעלות מהנוזל בתפזורת.
כאשר המשאבה נעצרת, מהירות הנוזל במשטח המחמם יורדת כמעט לאפס. שכבת הגבול מתעבה, ויעילות העברת החום קורסת. טמפרטורת פני המעטפת עולה, לפעמים ב-20-30 מעלות תוך דקות. ההתפשטות התרמית של ה-PTFE עולה.
כאשר המשאבה מופעלת מחדש, הזרימה המהירה-תמצננת במהירות את פני השטח. חוזי ה-PTFE. המתכת הבסיסית, שלא התקררה כל כך מהר, מגבילה את ההתכווצות. ה-PTFE חווה מתח מתיחה. מחזורים חוזרים של חימום וקירור גורמים לפיצוח עייפות.
| תקופת מחזור המשאבה | משטח ΔT במהלך מחזור כיבוי | משטח ΔT במהלך On Cycle | משרעת מתח | זמן לפצח |
|---|---|---|---|---|
| 30 דקות הפעלה/כיבוי | 15-20 מעלות | 10-15 מעלות | לְמַתֵן | 18-30 חודשים |
| 15 דקות הפעלה/כיבוי | 20-30 מעלות | 15-20 מעלות | גָבוֹהַ | 8-16 חודשים |
| 10 דקות הפעלה/כיבוי | 25-35 מעלות | 18-25 מעלות | גבוה מאוד | 4-10 חודשים |
| 5 דקות הפעלה/כיבוי | 30-45 מעלות | 20-30 מעלות | חָמוּר | 2-6 חודשים |
תדירות רכיבת משאבה והשפעתה על פיצוח הלם תרמי
מדוע הסדקים מתרכזים ליד המפרץ
הסדקים נוצרים במקום שבו ההלם התרמי הוא החמור ביותר-האזור הפונה לכניסת המחזור. כאשר המשאבה מופעלת מחדש, זרימת הכניסה פוגעת ישירות באזור זה. המשטח שם מתקרר מהר יותר משאר התנור. השיפוע התרמי בין האזור הנגוע למשטח הסובב יוצר את הלחץ הגבוה ביותר.
הסדקים במחמם הכושל רוכזו ברצועה ברוחב של כ-150 מ"מ, במרכזה בנתיב זרימת הכניסה. שאר המחמם הראה רק שינוי צבע קל של פני השטח.
ההבדל בין הלם תרמית לעייפות תרמית
הלם תרמי ועייפות תרמית קשורים זה לזה אך נבדלים זה מזה. עייפות תרמית מתרחשת כאשר המחמם עובר מחזוריות בין שתי טמפרטורות לאורך תקופה ארוכה. שינוי הטמפרטורה למחזור הוא מתון, והלחץ נמוך. הסדקים מתפתחים לאט, לעתים קרובות לאורך שנים.
הלם תרמי מתרחש כאשר שינוי הטמפרטורה לכל מחזור גדול ומהיר. הלחץ גבוה, והסדקים מתפתחים במהירות. הסדקים הם לרוב חמורים יותר ומפוזרים יותר מאשר בעייפות תרמית.
מניעת פיצוח הלם תרמי
המניעה היעילה ביותר היא להימנע משינויים מהירים בזרימה במשטח המחמם. משאבה הפועלת ברציפות מבטלת את מחזור ההלם התרמי. אם נדרש חיסכון באנרגיה, משאבת מהירות-משתנה ששומרת על זרימה מינימלית עדיפה על משאבת הפעלה/כיבוי.
אם רכיבה על אופניים של המשאבה היא בלתי נמנעת, תקופת המחזור צריכה להיות ארוכה מספיק כדי לאפשר לטמפרטורת פני החימום להתייצב בין מחזור למחזור. מחזור של 30 דקות מטיל פחות מתח מאשר מחזור של 10 דקות. תקופת המחזור המינימלית תלויה במסה התרמית של המחמם והמיכל.
למחמם עם מעטפת PTFE עבה יותר וצפיפות וואט נמוכה יותר יש יותר מסה תרמית וטמפרטורת פני שטח נמוכה יותר. הוא מגיב לאט יותר לשינויים בזרימה וחווה מתח תרמי נמוך יותר.
| אמצעי מניעה | השפעה על הלם תרמי | יישום | עֲלוּת |
|---|---|---|---|
| פעולת משאבה רציפה | מבטל את מחזור ההלם | שינוי תפעולי | עלות אנרגיה |
| משאבת מהירות-משתנה | שומר על מינימום זרימה | שדרוג משאבה | לְמַתֵן |
| תקופת מחזור ארוכה יותר | משרעת מתח נמוכה יותר | שינוי שליטה | נָמוּך |
| צפיפות וואט נמוכה יותר | טמפרטורת פני השטח נמוכה יותר | עיצוב תנור חימום | לְמַתֵן |
| נדן עבה יותר | יותר מסה תרמית | עיצוב תנור חימום | לְמַתֵן |
אמצעי מניעה לפיצוח הלם תרמי
כאשר פיצוח הלם תרמי מצביע על בעיית עיצוב
תנור חימום שמפתח סדקי הלם תרמיים למרות פעולת המשאבה המתמשכת מצביע על כך שתכנון המחמם או פריסת המיכל יוצרים מתח תרמי מקומי. תצורת מחמם טבילה מותאמת אישית מסוג PTFE עם צפיפות וואט נמוכה יותר, מעטפת עבה יותר ומיקום מותאם- של זרימה מטפלת בשורש הלם תרמי. תהליך המפרט דורש את לוח הזמנים של הפעלת המשאבה, את מהירות הזרימה במחמם, את כימיה האמבטיה ואת ההספק הנדרש. עבור מתקנים עם זרימה לסירוגין, גישה ספציפית ליישום-מפחיתה פיצוח הלם תרמי ומאריכה את חיי השירות של המחמם.
