Cursa de ciclism termic
Un proces chimic alternează între încălzire la 95 de grade și răcire la 25 de grade la fiecare 30 de minute, 24 de ore pe zi, 7 zile pe săptămână. Într-un an, schimbătorul de căldură suportă 17.520 de cicluri termice complete. Peste o durată de viață de 5-ani, 87.600 de cicluri. Acesta nu este un proces ocazional deranjat - este ritmul normal de operare.
Pentru schimbătorul de căldură sunt luate în considerare două materiale: carbură de siliciu și PTFE. Carbura de siliciu oferă o conductivitate termică ridicată și o rezistență chimică excelentă. PTFE oferă o conductivitate mai mică, dar o flexibilitate de neegalat. Selecția se bazează pe care materialul supraviețuiește la 87.600 de cicluri termice fără crăpare, scurgere sau pierderea integrității structurale.
Fizica stresului termic
Stresul termic apare din dilatarea termică constrânsă. Când un material se încălzește, se dilată. Dacă expansiunea este restricționată-de montaj rigid, de gradienții de temperatură în interiorul materialului sau de atașarea la materiale cu coeficienți de dilatare diferiți-se dezvoltă stres. Mărimea tensiunii termice este proporțională cu produsul dintre modulul elastic, coeficientul de dilatare termică și modificarea temperaturii: σ=E × × ΔT.
Carbura de siliciu are un modul elastic de aproximativ 400 GPa și un coeficient de dilatare termică de 4,0 × 10⁻⁶/grad. Pentru o variație de temperatură de 70 de grade, stresul termic într-o componentă SiC complet constrânsă se apropie de 112 MPa-aproape de rezistența la încovoiere a materialului de 350-450 MPa pentru SiC sinterizat și 250-300 MPa pentru SiC legat prin reacție. O concentrație mică de tensiuni de la un defect de suprafață, un semn de prelucrare sau un punct de montare poate iniția o fisură.
PTFE are un modul elastic de aproximativ 0,5 GPa și un coeficient de dilatare termică de 120 × 10⁻⁶/grad. Pentru aceeași oscilație de 70 de grade, solicitarea termică într-o componentă PTFE constrânsă este cu aproximativ 4,2 MPa-cu mult sub limita de curgere a materialului. PTFE acceptă expansiunea termică prin deformare elastică, mai degrabă decât acumularea de stres către un prag de fractură.
Tabelul 1: Comparația rezistenței la ciclism termic
| Parametru | Carbură de siliciu | PTFE |
|---|---|---|
| Modulul elastic (GPa) | 400 | 0.5 |
| Coeficientul de dilatare termică (10⁻⁶/grad) | 4.0 | 120 |
| Stresul termic pentru 70 de grade ΔT (MPa) | 112 (complet constrâns) | 4.2 (complet restrâns) |
| Raportul dintre stresul termic și rezistența materialului | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| Modul de defecțiune sub ciclu termic | Fractură fragilă de la propagarea fisurilor | Deformare prin fluaj (ductil) |
| Mecanismul de inițiere a fisurii | La defecte de suprafață; statistic | Nu se aplică (se deformează fără fisurare) |
| Cicluri până la eșec (70 grade ΔT) | 10³-10⁶ (probabilistic; dependent de defect) | >10⁷ la niveluri de stres de serviciu |
| Limită de oboseală | Niciuna clar definită | Limită de rezistență la tulpini sub 2% |
| Efectul frecvenței ciclului | Creșterea gradientului termic la rate mai mari | Minim; depinde de rata de răspuns viscoelastică{0}} |
| Previzibilitatea duratei de viață | Scăzut (depinde-defectelor) | Ridicat (rată de fluaj previzibilă) |
Diferența de propagare a fisurilor
Când o fisură se inițiază în carbura de siliciu sub ciclu termic, se propagă prin material cu fiecare ciclu. Nu există nicio deformare plastică la vârful fisurii pentru a absorbi energie și propagare lentă. Fisura crește treptat până când secțiunea-transversală rămasă nu mai poate suporta sarcina și are loc o fractură catastrofală.
PTFE nu se fisurează sub ciclul termic la niveluri normale de solicitare de serviciu. Materialul se deformează vâscoelastic-lanțurile polimerice alunecă și se reorganizează pentru a se adapta încordării. La solicitări foarte mari sau după un număr foarte mare de cicluri, se pot forma micro-goluri și se pot coalesce, ducând la o pierdere treptată a proprietăților mecanice. Acesta este un proces de degradare ductilă, nu un proces de fractură fragilă.
Diferența practică este predictibilitatea. Un schimbător de carbură de siliciu se poate defecta brusc, fără avertisment măsurabil, deoarece fisura care provoacă defecțiunea poate fi invizibilă pentru inspecție până la etapele finale de propagare. Un schimbător de PTFE se degradează treptat, cu subțierea măsurabilă a pereților și modificarea dimensională pe care inspecțiile programate le pot urmări.
Compensarea transferului de căldură
Conductivitatea termică a carburii de siliciu de 120-200 W/m·K oferă un avantaj semnificativ de transfer de căldură față de 0,25 W/m·K a PTFE. Schimbătorul SiC este mai compact-un aspect important în aplicațiile cu spațiu limitat.
PTFE compensează prin tubulatura-peretelui subțire și suprafața crescută. Amprenta mai mare este compromisul-pentru imunitatea la ciclul termic. În aplicațiile în care spațiul este disponibil și fiabilitatea ciclistă este primordială, PTFE este alegerea cu risc mai scăzut-.
Rezumat
Schimbătoarele de căldură din PTFE prezintă o rezistență termică mult mai mare decât carbura de siliciu, deoarece modulul elastic scăzut al PTFE menține tensiunea indusă termic-cu mult sub limitele de rezistență a materialului, iar mecanismul său de deformare vâscoelastică previne inițierea fisurilor. Carbura de siliciu, fiind fragilă, acumulează daune la defecte de suprafață și poate eșua brusc după un număr imprevizibil de cicluri.
Avantajul rezistenței la cicluri termice al PTFE se traduce prin durată de viață previzibilă, întreținere programată și eliminarea perioadei de nefuncționare asociate ruperii bruște-. Amprenta mai mare a schimbătorului de căldură cerută de PTFE reprezintă avantajul-pentru această fiabilitate.
Analiza de inginerie pentru selectarea materialelor de serviciu pentru cicluri termice este disponibilă la prezentarea intervalului de temperatură, frecvența ciclului, durata de viață necesară, spațiul de instalare disponibil și specificațiile privind sarcina termică.
