בעיית הפעימה
משאבות תזוזה חיוביות יוצרות פעימות זרימה בתדירות האימפלר או הבוכנה. פעימות אלו עוברות דרך מערכת הצנרת כגלי לחץ, ופוגעות במשטחי מחליף חום בכוח מחזורי. כל פעימה קטנה-בדרך כלל משרעת של 0.1-0.5 בר - אבל במשך שנה של פעולה רציפה, מחליף החום חווה מיליוני מחזורי עומס.
גרפיט אטום קשיח מתמודד היטב עם עומסים קבועים. חוזק הלחיצה שלו עולה על 200 MPa. המוליכות התרמית שלו מצוינת. אבל התגובה שלו לעומס כיפוף מחזורי שונה מהותית מזו של PTFE. גרפיט הוא קומפוזיט קרמי שביר. PTFE הוא תרמופלסטי רקיע. התנהגויות העייפות שלהם עוקבות אחר חוקים פיזיקליים שונים לחלוטין.
מנגנון עייפות הגרפיט
גרפיט אטום מיוצר על ידי הספגה של גרפיט נקבובי בשרף פנולי או פוראן. לחומר המרוכב המתקבל יש את העמידות הכימית של גרפיט ואת האטימות של השרף. ההתנהגות המכנית שלו, לעומת זאת, נשארת באופייה קרמי.
גרפיט נכשל במתח באמצעות שבר שביר. תחת טעינה מחזורית, מיקרו-סדקים מתחילים בנקודות ריכוז-הצינור-ל-חיבורי יריעות הצינור, מיקומי תמיכה וממשקי גרפיט פנימיים-שרף. לאחר ההתחלה, הסדקים מתפשטים בהדרגה עם כל מחזור עומס. אין דפורמציה פלסטית כדי להקהות את קצה הסדק, אין מנגנון ספיגת אנרגיה להאטת התפשטות. הסדק גדל עד שהחתך הנותר- אינו יכול עוד לתמוך בעומס, ושבר פתאומי מתרחש.
גבול העייפות של גרפיט מוגדר בצורה גרועה בהשוואה למתכות. עקומת S-N-מתח לעומת מחזורים עד כישלון-מראה שיפוע רדוד ללא מגבלת סיבולת מוגדרת בבירור. אפילו באמפליטודות מתח מחזוריות נמוכות, הגרפיט צובר נזק על פני מיליוני מחזורים. כשל הוא הסתברותי: שני רכיבים זהים תחת עומס זהה עלולים להיכשל בספירות מחזוריות שונות באופן משמעותי.
טבלה 1: השוואת תגובת עייפות ורעידות תחת פעימת משאבה
| פרמטר עייפות | גרפיט אטום קשיח | PTFE |
|---|---|---|
| אופי חומרי | קומפוזיט קרמי שביר | תרמופלסטי גמיש |
| מודול כיפוף (GPa) | 15-25 | 0.5-0.6 |
| יכולת שיכוך (tan δ) | 0.001-0.003 (נמוך) | 0.1-0.2 (גבוה) |
| מנגנון התחלת סדקי עייפות | מיקרו-סדקים בפגמים, ממשקים | אין (מתעוות מבלי להיסדק במתיחות מתונה) |
| התפשטות סדקי עייפות | מהיר, שביר | לא ישים (לא מתחילים סדקים בזני שירות) |
| מגבלת סיבולת | אף אחד לא מוגדר בבירור | 10⁷+ מחזורים בזנים מתחת ל-2% |
| תגובה לפעימות זרימה | מעביר רטט; מתגבר בעת תהודה | סופג רטט; מרכך את אנרגיית הפעימה |
| מצב כשל בעומס מחזורי | שבר שביר פתאומי | זחילה מתקדמת (אם עומס יתר על המידה) |
| בדיקה לאיתור נזקי עייפות | קשים (סדקים מיקרו-פנימיים בלתי נראים) | פשוט (דפורמציה גלויה לפני כישלון) |
PTFE: שיכוך וגמישות
PTFE מגיב לעומס מחזורי באמצעות עיוות ויסקו אלסטי. שרשראות הפולימר סופגות אנרגיה מכנית ומפזרות אותה כחום באמצעות חיכוך פנימי. קיבולת השיכוך-מכומתת על ידי משיק האובדן, tan δ- היא 0.1-0.2 עבור PTFE, בערך שני סדרי גודל גבוה יותר מגרפיט. המשמעות היא ש-PTFE ממיר 10-20% מהאנרגיה המכנית של כל מחזור כיפוף לחום, ומסיר אותו ממחזור הלחץ.
התוצאה היא שצינורות PTFE תחת פעימת משאבה לא צוברים אנרגיית מתח אלסטית כמו שגרפיט קשיח עושה. אנרגיית הפעימה נספגת ומתפזרת. אמפליטודות הלחץ בתומכות ובחיבורים נמוכות יותר מכיוון שהחומר מפחית את העברת הרטט.
ברמות המתח האופייניות לזרימה-רטט המושרה-הרבה מתחת ל-1% עבור צינורות הנתמכים כהלכה-פועל PTFE במשטר שבו התחלת סדקי עייפות אינה מתרחשת. החומר יכול לסבול עשרות מיליוני מחזורים ללא היווצרות סדקים. זו אינה מגבלת עייפות- גבוהה במחזור במובן המתכתי; זהו משטר מתח מתחת לסף הצטברות נזקים.
השלכות מעשיות לתכנון מחליף חום
מחליפי חום גרפיט בשירות זרימה פועם דורשים תכנון שמרני לניהול סכנת עייפות. מרווח התמיכה חייב להיות קרוב יותר מאשר עבור זרימה יציבה. מיישרי זרימה ומנחתי פעימה במעלה הזרם של המחליף מוסיפים עלות ומורכבות למערכת. מחליף החום חייב להיות גדול מדי כדי לאפשר אובדן מתקדם של שלמות מכנית לאורך חיי התכנון.
מחליפי חום PTFE מתאימים את פעימת המשאבה באמצעות שיכוך חומר ומשיכות. מרווח תמיכה סטנדרטי הוא בדרך כלל הולם. בולמי פעימה הם אופציונליים מטעמי ביצועים, לא חובה להישרדות מכנית. השלמות המכנית של צרור הצינורות אינה מתכלה עם מיליוני מחזורי פעימה.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE מציגים התנגדות עייפות כפיפתית מעולה בהשוואה לגרפיט אטום קשיח תחת פעימת משאבה. הפלואורופולימר הרקיע סופג ומפזר אנרגיה מכנית מחזורית באמצעות שיכוך ויסקו אלסטי, ומונע הצטברות של נזקי עייפות ברמות מתח השירות. גרפיט, כחומר מרוכב קרמי שביר, מעביר רטט וצובר נזקי מיקרו- לסדקים שמובילים בסופו של דבר לשבר פתאומי.
יתרון העייפות של PTFE מתורגם לתכנון מערכת פשוט יותר, צורך מופחת בציוד להפחתת פעימות, ושלמות מכנית צפויה-לטווח ארוך. היכן שמשאבות תזוזה חיוביות יוצרות פעימות זרימה בלתי נמנעות, PTFE מספק פתרון מחליף חום סלחן מבחינה מכנית.
ניתוח הנדסי לתכנון מחליף חום PTFE בתנאי פעימת משאבה זמין עם הגשת סוג ותדירות המשאבה, תצורת הצנרת, תכונות הנוזל ולחץ וטמפרטורת הפעולה.
