Scenario za hitne slučajeve
Hemijski reaktor doživi odbjegnu egzotermu. Upravljački sistem pokreće hitno hlađenje: rashlađena voda na 5 stepeni se ubrizgava u izmenjivač toplote, koji je nekoliko trenutaka pre sadržao procesni fluid na 120 stepeni. Temperatura zida cevi pada sa 120 stepeni na 10 stepeni u roku od nekoliko sekundi. Izmjenjivač topline mora preživjeti ovaj termalni udar bez loma, ili sistem za hlađenje pokvari upravo kada je to najpotrebnije.
Izmjenjivači topline od borosilikatnog stakla su specificirani u hemijskoj obradi zbog svoje hemijske inertnosti i transparentnosti. PTFE izmjenjivači topline su specificirani za sličnu hemijsku kompatibilnost. U scenarijima hlađenja u nuždi, otpornost na termalni udar ova dva materijala razlikuje se za redove veličine, sa sigurnosnim{2}}kritičnim posljedicama.
Fizika termičkog šoka
Toplotni šok nastaje kada materijal doživi brzu promjenu temperature koja stvara ne-ujednačeno toplinsko širenje. Površinski sloj, naglo ohlađen, skuplja se. Unutrašnjost, još vruća, odoleva kontrakcijama. Površina dolazi u napetost. Napon zatezanja je proporcionalan modulu elastičnosti materijala, koeficijentu toplinske ekspanzije i temperaturnoj razlici između površine i unutrašnjosti.
Parametar otpornosti na termički udar R kvantifikuje sposobnost materijala da izdrži ovaj napon bez loma: R=σ(1-ν)/ E, gdje je σ vlačna čvrstoća, ν je Poissonov omjer, koeficijent toplinske ekspanzije, a E je modul elastičnosti. Veći R označava bolju otpornost na termički udar.
Borosilikatno staklo: σ ≈ 70 MPa, E ≈ 64 GPa, ≈ 3,3 × 10⁻⁶/ stepen. R ≈ 0,33 × 10³ W/m.
PTFE: σ ≈ 25 MPa, E ≈ 0,5 GPa, ≈ 120 × 10⁻⁶/ stepen. R ≈ 0,42 × 10³ W/m.
R vrijednosti su uporedive, što ukazuje na sličnu otpornost na termički udar. Ali ova analiza mehanike linearne elastične loma pretpostavlja krti lom-način loma stakla. PTFE se ne lomi lomljivo. Viskoelastično se deformiše. Poređenje R parametara je irelevantno jer su mehanizmi kvara fundamentalno različiti.
Tabela 1: Poređenje odziva na termalni udar (120 do 10 stupnjeva hitno hlađenje, prijelaz od 5 sekundi)
| Parametar | Borosilicate Glass | PTFE |
|---|---|---|
| Površinski vlačni napon pri hlađenju (MPa) | 30-60 (elastična) | 2-4 (viskoelastična relaksacija) |
| Odnos napona i čvrstoće materijala | 0,4-0,85 (mogući prijelom) | 0,08-0,16 (bez preloma) |
| Režim kvara na šok | Krhki prijelom; širenje pukotine | Elastična deformacija; nema pucanja |
| Vjerovatnoća prijeloma u jednom slučaju | 5-15% (ovisno o kvaru) | 0% |
| Učinak ponovljenog termičkog šoka | Kumulativna šteta; rast pukotina | Nema kumulativnog efekta ispod granice naprezanja |
| Latentna oštećenja nakon događaja | Mikro{0}}pukotine se mogu kasnije širiti | Nema |
| Funkcija rashladnog sistema nakon udara | Može biti ugrožen prijelomom | Potpuno funkcionalan |
| Sigurnosna posljedica kvara | Gubitak hitnog hlađenja | Nema neuspjeha |
Viskoelastična prednost
Kada PTFE doživi brzu promjenu temperature, polimerni lanci reagiraju molekularnim kretanjem. Površinski sloj se skuplja, ali umjesto da razviju veliko elastično naprezanje, lanci klize i reorganiziraju se. Stres se opušta u roku od nekoliko sekundi do minuta, ovisno o temperaturi. Ova viskoelastična relaksacija je razlog zašto se PTFE ne lomi pod termičkim udarom.
Staklo nema mehanizam za opuštanje. Jonske-kovalentne veze u silikatnoj mreži ne mogu kliziti. Elastični napon se povećava sve dok se ili temperaturni gradijent ne rasprši ili staklo pukne. Ishod zavisi od prisustva površinskih defekata-ogrebotina, inkluzija ili nedostataka u izradi-koji koncentrišu naprezanje. Staklena komponenta sa defektom površine koji se ne može otkriti može preživjeti stotinu termičkih ciklusa i lom na sto-i-prvom.
Vjerovatnoća priroda loma stakla nije kompatibilna sa sigurnosnim{0}}kritičnim aplikacijama za hlađenje. Deterministička otpornost PTFE na toplotni udar-zagarantovana njegovim viskoelastičnim molekularnim ponašanjem-osigurava pouzdanost koju zahtijevaju sistemi za hitne slučajeve.
Praktične implikacije za specifikaciju izmjenjivača topline
Za aplikacije hlađenja u slučaju nužde gdje bi kvar izmjenjivača topline tokom događaja termičkog udara ugrozio sigurnost procesa, PTFE bi trebao biti specificiran osim ako temperature procesa ne prelaze granicu od 260 stepeni. Borosilikatno staklo, iako je hemijski kompatibilno, uvodi neprihvatljivu vjerovatnoću loma tokom termičkog prijelaza.
Početna razlika u cijeni između PTFE i izmjenjivača topline od borosilikatnog stakla je sekundarna u odnosu na sigurnosnu razmatranje. Neispravan sistem hlađenja tokom vanredne situacije ima posljedice mjerene u oštećenju imovine, oslobađanju okoliša i sigurnosti osoblja-a ne u cijeni zamjene opreme.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline su u osnovi otporniji na termalni udar od borosilikatnog stakla jer PTFE reagira na toplinsko naprezanje kroz viskoelastičnu relaksaciju, a ne akumulaciju elastičnog naprezanja. Staklo se može vjerovatno slomiti tokom hitnih prelaznih stanja hlađenja; PTFE ne može. Za sigurno-kritične aplikacije za hlađenje koje uključuju brze promjene temperature, PTFE pruža determinističku pouzdanost kojoj se staklo ne može mjeriti.
Viskoelastično molekularno ponašanje PTFE-njegova sposobnost da olabavi termički stres kroz kretanje lanca-je fizička osnova za ovu prednost. Nikakva kontrola kvaliteta ili inspekcija ne može eliminirati inherentnu lomljivost stakla.
Inženjerska analiza specifikacije izmjenjivača topline otpornog na toplotni udar- dostupna je nakon podnošenja zahtjeva za normalne i vanredne radne temperature, parametre rashladne vode, toplinsko opterećenje i zahtjeve za nivo integriteta sigurnosti procesa.
