Een chemische fabriek verloor na slechts zeven maanden dienst een PTFE-dompelverwarmer in een vernikkelde tank. De schede vertoonde een patroon van fijne, elkaar kruisende scheuren langs het onderste verwarmde gedeelte. De scheuren waren niet geconcentreerd aan de randen of de vloeistoflijn. Ze waren verspreid over het gebied dat uitkeek op de recirculatie-inlaat van de tank. De circulatiepomp van de fabriek was geprogrammeerd om elk kwartier aan en uit te gaan om energie te besparen. Elke pompcyclus veroorzaakte een thermische schok op het verwarmingsoppervlak.
Thermische schokscheuren treden op wanneer het oppervlak van een PTFE-dompelverwarmer snelle temperatuurveranderingen ervaart die het vermogen van het polymeer om de resulterende spanning op te vangen te boven gaan. De scheuren ontstaan doordat het oppervlak sneller uitzet of samentrekt dan het onderliggende materiaal. Na verloop van tijd veroorzaakt de cyclische spanning vermoeiingsscheuren.
Hoe pompcycli een thermische schok veroorzaakt
Wanneer de circulatiepomp draait, is de vloeistofsnelheid aan het verwarmingsoppervlak hoog. De grenslaag is dun en de warmteoverdracht is efficiënt. De oppervlaktetemperatuur van de mantel blijft binnen 10-15 graden van de bulkvloeistof.
Wanneer de pomp stopt, daalt de vloeistofsnelheid aan het verwarmingsoppervlak tot bijna nul. De grenslaag wordt dikker en de efficiëntie van de warmteoverdracht neemt af. De oppervlaktetemperatuur van de mantel stijgt, soms binnen enkele minuten met 20-30 graden. De thermische uitzetting van het PTFE neemt toe.
Wanneer de pomp opnieuw start, koelt de stroom met hoge- snelheid het oppervlak snel af. De PTFE-contracten. Het onderliggende metaal, dat niet zo snel is afgekoeld, beperkt de contractie. Het PTFE ondervindt trekspanningen. Herhaalde cycli van verwarming en koeling veroorzaken vermoeiingsscheuren.
| Pompcyclusperiode | Oppervlakte-ΔT tijdens uit-cyclus | Oppervlakte-ΔT tijdens Aan-cyclus | Spanningsamplitude | Tijd om te kraken |
|---|---|---|---|---|
| 30 minuten aan/uit | 15–20 graden | 10–15 graden | Gematigd | 18–30 maanden |
| 15 minuten aan/uit | 20-30 graden | 15–20 graden | Hoog | 8–16 maanden |
| 10 minuten aan/uit | 25-35 graden | 18–25 graden | Zeer hoog | 4–10 maanden |
| 5 minuten aan/uit | 30-45 graden | 20-30 graden | Streng | 2–6 maanden |
Pompcyclusfrequentie en het effect ervan op scheuren door thermische schokken
Waarom de scheuren zich concentreren nabij de inlaat
De scheuren ontstaan daar waar de thermische schok het hevigst is-het gebied dat naar de recirculatie-inlaat is gericht. Wanneer de pomp opnieuw start, treft de inlaatstroom rechtstreeks dat gebied. Het oppervlak koelt daar sneller af dan de rest van de verwarming. De thermische gradiënt tussen het getroffen gebied en het omringende oppervlak creëert de hoogste spanning.
De scheuren in de defecte verwarmer waren geconcentreerd in een band van ongeveer 150 mm breed, gecentreerd op het inlaatstroompad. De rest van de verwarmer vertoonde slechts een kleine verkleuring van het oppervlak.
Het verschil tussen thermische schokken en thermische vermoeidheid
Thermische schokken en thermische vermoeidheid zijn gerelateerd, maar verschillend. Thermische vermoeidheid treedt op wanneer de verwarmer gedurende een lange periode tussen twee temperaturen wisselt. De temperatuurverandering per cyclus is gematigd en de stress is laag. De scheuren ontwikkelen zich langzaam, vaak over jaren.
Thermische schokken treden op wanneer de temperatuurverandering per cyclus groot en snel is. De spanning is hoog en de scheuren ontwikkelen zich snel. De scheuren zijn vaak ernstiger en wijder verspreid dan bij thermische vermoeiing.
Voorkomen van barsten door thermische schokken
De meest effectieve preventie is het vermijden van snelle veranderingen in de stroming aan het verwarmingsoppervlak. Een continu draaiende pomp elimineert de thermische schokcyclus. Als energiebesparing nodig is, is een pomp met variabele-snelheid die een minimaal debiet handhaaft, beter dan een aan/uit-pomp.
Als het wisselen van de pomp onvermijdelijk is, moet de cyclusperiode lang genoeg zijn om de oppervlaktetemperatuur van de verwarmer tussen de cycli te laten stabiliseren. Een cyclus van 30 minuten levert minder stress op dan een cyclus van 10 minuten. De minimale cyclusperiode is afhankelijk van de thermische massa van de verwarmer en de tank.
Een heater met een dikkere PTFE-mantel en een lagere wattdichtheid heeft meer thermische massa en een lagere oppervlaktetemperatuur. Het reageert langzamer op veranderingen in de stroming en ervaart minder thermische schokstress.
| Preventiemaatregel | Effect op thermische schokken | Uitvoering | Kosten |
|---|---|---|---|
| Continue werking van de pomp | Elimineert schokcyclus | Operationele verandering | Energiekosten |
| Pomp met variabele-snelheid | Handhaaft een minimale stroom | Pomp-upgrade | Gematigd |
| Langere cyclusperiode | Lagere spanningsamplitude | Controle verandering | Laag |
| Lagere wattdichtheid | Lagere oppervlaktetemperatuur | Ontwerp van de verwarming | Gematigd |
| Dikkere schede | Meer thermische massa | Ontwerp van de verwarming | Gematigd |
Preventiemaatregelen tegen scheuren door thermische schokken
Wanneer barsten door thermische schokken wijzen op een ontwerpprobleem
Een verwarmer die ondanks de continue werking van de pomp thermische schokscheuren ontwikkelt, geeft aan dat het ontwerp van de verwarmer of de tankindeling plaatselijke thermische spanning veroorzaakt. Een op maat gemaakte PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met een lagere wattdichtheid, een dikkere mantel en een -stroomgeoptimaliseerde positie pakt de hoofdoorzaak van thermische schokken aan. Het specificatieproces vereist het werkingsschema van de pomp, de stroomsnelheid bij de verwarmer, de badchemie en het vereiste wattage. Voor faciliteiten met intermitterende circulatie vermindert deze toepassing-specifieke aanpak scheuren door thermische schokken en verlengt de levensduur van de verwarming.
