간헐적인 펌프 작동으로 인해 PTFE 침수형 히터에 열충격 균열이 발생하는 이유는 무엇입니까?

한 화학 공장에서는 단 7개월 만에 니켈 도금 탱크의 PTFE 침지 히터를 분실했습니다. 덮개는 가열된 하부 부분을 따라 미세한 교차 균열 패턴을 보여주었습니다. 균열은 가장자리나 액선에 집중되지 않았다. 이는 탱크의 재순환 입구를 향한 영역에 걸쳐 분포되었습니다. 발전소의 순환 펌프는 에너지를 절약하기 위해 15분마다 켜지고 꺼지도록 프로그래밍되었습니다. 각 펌프 사이클은 히터 표면에 열충격을 가합니다.

열충격 균열은 PTFE 침지 히터 표면이 결과적인 변형을 수용할 수 있는 폴리머의 능력을 초과하는 급격한 온도 변화를 겪을 때 발생합니다. 표면이 밑에 있는 재료보다 더 빨리 팽창하거나 수축하기 때문에 균열이 발생합니다. 시간이 지남에 따라 주기적 응력으로 인해 피로 균열이 발생합니다.

펌프 사이클링이 열충격을 일으키는 방법

순환 펌프가 작동 중일 때 히터 표면의 유체 속도가 빠릅니다. 경계층이 얇고 열전달이 효율적입니다. 외장 표면 온도는 벌크 유체의 10~15도 이내로 유지됩니다.

펌프가 정지하면 히터 표면의 유체 속도가 거의 0으로 떨어집니다. 경계층이 두꺼워지고 열전달 효율이 떨어지게 됩니다. 피복 표면 온도는 때로는 몇 분 내에 20~30도까지 상승합니다. PTFE의 열팽창이 증가합니다.

펌프가 다시 시작되면 고속-흐름으로 표면이 빠르게 냉각됩니다. PTFE가 수축합니다. 빠르게 냉각되지 않은 밑에 있는 금속이 수축을 억제합니다. PTFE는 인장 응력을 경험합니다. 가열과 냉각을 반복하면 피로 균열이 발생합니다.

펌프 사이클링 주파수와 열충격 균열에 대한 영향

균열이 입구 근처에 집중되는 이유

균열은 열충격이 가장 심한 곳({0}}재순환 입구를 바라보는 부분)에서 형성됩니다. 펌프가 다시 시작되면 흡입 흐름이 해당 영역에 직접 영향을 미칩니다. 그 표면은 히터의 나머지 부분보다 더 빨리 냉각됩니다. 충돌 영역과 주변 표면 사이의 열 구배는 가장 높은 응력을 생성합니다.

고장난 히터의 균열은 입구 유동 경로 중앙에 약 150mm 너비의 밴드에 집중되었습니다. 히터의 나머지 부분은 표면 변색이 미미한 것으로 나타났습니다.

열충격과 열피로의 차이

열 충격과 열 피로는 서로 관련되어 있지만 별개입니다. 열 피로는 히터가 장기간에 걸쳐 두 온도 사이를 순환할 때 발생합니다. 사이클 당 온도 변화가 적당하고 스트레스가 낮습니다. 균열은 천천히, 종종 수년에 걸쳐 발생합니다.

열충격은 사이클당 온도 변화가 크고 급격하게 변할 때 발생합니다. 응력이 높고 균열이 빠르게 발생합니다. 균열은 열피로보다 더 심각하고 더 넓게 분포되는 경우가 많습니다.

열충격 균열 방지

가장 효과적인 예방은 히터 표면의 급격한 흐름 변화를 방지하는 것입니다. 지속적으로 작동하는 펌프는 열충격 사이클을 제거합니다. 에너지 절약이 필요한 경우, 최소 유량을 유지하는 가변{2}}속도 펌프가 ON/OFF 펌프보다 낫습니다.

펌프 주기가 불가피한 경우 주기 주기는 주기 사이에 히터 표면 온도가 안정화될 수 있을 만큼 길어야 합니다. 30분 주기는 10분 주기보다 스트레스를 덜 줍니다. 최소 사이클 기간은 히터와 탱크의 열 질량에 따라 달라집니다.

PTFE 피복이 더 두껍고 와트 밀도가 낮은 히터는 열 질량이 더 많고 표면 온도가 더 낮습니다. 이는 흐름 변화에 더 느리게 반응하고 더 낮은 열 충격 응력을 경험합니다.

열충격 균열 방지 대책

열충격 균열이 설계 문제를 나타내는 경우

지속적인 펌프 작동에도 불구하고 열 충격 균열이 발생하는 히터는 히터 설계 또는 탱크 레이아웃이 국부적인 열 응력을 생성하고 있음을 나타냅니다. 더 낮은 와트 밀도, 더 두꺼운 피복, 흐름-최적화된 위치를 갖춘 맞춤형 PTFE 침지 히터 구성은 열충격의 근본 원인을 해결합니다. 사양 프로세스에는 펌프 작동 일정, 히터의 유속, 수조 화학 및 필요한 전력량이 필요합니다. 간헐적으로 순환하는 시설의 경우 이 애플리케이션{4}}별 접근 방식은 열충격 균열을 줄이고 히터 서비스 수명을 연장합니다.