מרוץ האופניים התרמי
תהליך כימי עובר לסירוגין בין חימום ל-95 מעלות וקירור ל-25 מעלות כל 30 דקות, 24 שעות ביום, 7 ימים בשבוע. בשנה אחת, מחליף החום מחזיק מעמד 17,520 מחזורים תרמיים מלאים. במשך 5- חיי שירות, 87,600 מחזורים. זה לא תהליך מזדמן - זה קצב הפעולה הרגיל.
שני חומרים נחשבים למחליף החום: סיליקון קרביד ו-PTFE. סיליקון קרביד מציע מוליכות תרמית גבוהה ועמידות כימית מעולה. PTFE מציע מוליכות נמוכה יותר אך גמישות ללא תחרות. הבחירה תלויה באיזה חומר שורד 87,600 מחזורים תרמיים מבלי להיסדק, לדלוף או לאבד שלמות מבנית.
פיזיקת המתח התרמי
מתח תרמי נובע מהתפשטות תרמית מוגבלת. כאשר חומר מתחמם, הוא מתרחב. אם ההתפשטות מוגבלת-על ידי הרכבה קשיחה, על ידי שיפוע טמפרטורה בתוך החומר, או על ידי התקשרות לחומרים עם מקדמי התפשטות שונים-מתפתח מתח. גודל המתח התרמי הוא פרופורציונלי למכפלה של מודול האלסטי, מקדם ההתפשטות התרמית ושינוי הטמפרטורה: σ=E × × ΔT.
לסיליקון קרביד מודול אלסטי של כ-400 GPa ומקדם התפשטות תרמית של 4.0 × 10⁻⁶/מעלה. עבור תנודת טמפרטורה של 70 מעלות, הלחץ התרמי ברכיב SiC מוגבל לחלוטין מתקרב ל-112 MPa-קרוב לחוזק הכיפוף של החומר של 350-450 MPa עבור SiC מסונט ו-250-300 MPa עבור SiC מחובר תגובה. ריכוז מתח קטן מפגם משטח, סימן עיבוד או נקודת הרכבה יכול ליזום סדק.
ל-PTFE יש מודול אלסטי של כ-0.5 GPa ומקדם התפשטות תרמית של 120 × 10⁻⁶/מעלה. עבור אותה תנופה של 70 מעלות, המתח התרמי ברכיב PTFE מוגבל הוא בערך 4.2 MPa- הרבה מתחת לחוזק התפוקה של החומר. PTFE מתאים להתפשטות תרמית באמצעות דפורמציה אלסטית במקום צבירת מתח לקראת סף שבר.
טבלה 1: השוואת סיבולת רכיבה תרמית
| פָּרָמֶטֶר | סיליקון קרביד | PTFE |
|---|---|---|
| מודול אלסטי (GPa) | 400 | 0.5 |
| מקדם התפשטות תרמית (10⁻⁶/מעלה) | 4.0 | 120 |
| מתח תרמי עבור 70 מעלות ΔT (MPa) | 112 (מוגבל לחלוטין) | 4.2 (מוגבל לחלוטין) |
| יחס של מתח תרמי לחוזק החומר | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| מצב כשל ברכיבה תרמית | שבר שביר כתוצאה מהתפשטות סדק | עיוות זחילה (רקיע) |
| מנגנון ייזום סדק | בפגמים פני השטח; סטָטִיסטִי | לא ישים (מתעוות ללא סדקים) |
| מחזור לכשל (70 מעלות ΔT) | 10³-10⁶ (הסתברותית; תלוי בפגם) | >10⁷ ברמות לחץ שירות |
| גבול עייפות | אף אחד לא מוגדר בבירור | מגבלת סיבולת בזנים מתחת ל-2% |
| השפעת תדירות המחזור | שיפוע תרמי מוגבר בקצבים גבוהים יותר | מִינִימָלִי; שיעור תגובה ויסקו אלסטי-תלוי |
| יכולת חיזוי של חיי השירות | נמוך (תלוי בפגם-) | גבוה (קצב זחילה צפוי) |
ההבדל בהתפשטות הסדקים
כאשר סדק מתחיל בסיליקון קרביד תחת מחזוריות תרמית, הוא מתפשט דרך החומר בכל מחזור. אין דפורמציה פלסטית בקצה הסדק כדי לספוג אנרגיה ולהתפשטות איטית. הסדק גדל בהדרגה עד שהחתך הנותר- אינו יכול עוד לתמוך בעומס, ומתרחש שבר קטסטרופלי.
PTFE אינו נסדק תחת רכיבה תרמית ברמות לחץ שירות רגילות. החומר מעוות באופן ויסקו אלסטי-ששרשרות הפולימר מחליקות ומתארגנות מחדש כדי להכיל את המתח. במתח גבוה מאוד או לאחר מספר גדול מאוד של מחזורים, מיקרו-חללים עשויים להיווצר ולהתלכד, מה שמוביל לאובדן הדרגתי של תכונות מכניות. זהו תהליך פירוק רקיע, לא תהליך שבר שביר.
ההבדל המעשי הוא חיזוי. מחליף סיליקון קרביד עלול להיכשל בפתאומיות ללא אזהרה ניתנת למדידה, מכיוון שהסדק הגורם לכשל עלול להיות בלתי נראה לבדיקה עד לשלבי ההתפשטות האחרונים. מחליף PTFE מתכלה בהדרגה, עם דילול דופן מדיד ושינוי ממדים שבדיקות מתוזמנות יכולות לעקוב אחריהם.
פיצוי העברת חום
המוליכות התרמית של סיליקון קרביד של 120-200 W/m·K מספקת יתרון משמעותי בהעברת חום על פני 0.25 W/m·K של PTFE. מחליף SiC הוא קומפקטי יותר-, שיקול חשוב ביישומים מוגבלי מקום.
PTFE מפצה באמצעות צינורות קיר דקים- ושטח פנים מוגדל. טביעת הרגל הגדולה יותר היא הסחר- לחסינות תרמית לרכיבה על אופניים. ביישומים שבהם מקום פנוי ואמינות רכיבה על אופניים חשובה ביותר, PTFE הוא הבחירה בסיכון- הנמוך יותר.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE מציגים סיבולת תרמית גבוהה בהרבה מסיליקון קרביד, מכיוון שמודול האלסטי הנמוך של PTFE שומר על מתח שנגרם תרמית הרבה מתחת לגבולות חוזק החומר, ומנגנון העיוות הוויזואלסטי שלו מונע התחלת סדקים. סיליקון קרביד, בהיותו שביר, צובר נזק בפגמים על פני השטח ויכול להיכשל בפתאומיות לאחר מספר בלתי צפוי של מחזורים.
יתרון סיבולת הרכיבה התרמית של PTFE מתורגם לחיי שירות הניתנים לחיזוי, תחזוקה מתוזמנת וביטול זמן השבתה- פתאומי. טביעת הרגל הגדולה יותר של מחליף החום הנדרשת על-ידי PTFE היא-התמורה לאמינות זו.
ניתוח הנדסי לבחירת חומרי שירות לרכיבה תרמית זמין עם הגשת טווח טמפרטורה, תדירות מחזור, חיי שירות נדרשים, שטח התקנה פנוי ומפרטי חובת חום.
