Prechodový tepelný šok
Procesná nádrž pracuje pri 85 stupňoch so zahriatym chemickým roztokom. Na konci dávky sa nádrž vypustí a ihneď sa znovu naplní studenou oplachovou vodou s teplotou 15 stupňov. Tepelný výmenník z PTFE, o chvíľu skôr s povrchovou teplotou 85 stupňov, je náhle ponorený do 15 stupňovej vody. Teplota povrchu trubice klesne o 70 stupňov za sekundu. K tomuto tepelnému šoku dochádza pri každej výmene šarže-niekoľkokrát za deň, stokrát za rok.
Keramické výmenníky tepla-kremeň, karbid kremíka-môžu pri tomto tepelnom šoku prasknúť. Rýchla kontrakcia studeného vonkajšieho povrchu, zatiaľ čo vnútro zostáva horúce, vytvára ťahové napätie, ktoré prevyšuje lomovú pevnosť materiálu. Pravdepodobnosť lomu je štatistická v závislosti od prítomnosti povrchových defektov. Každá šoková udalosť je hod kockou.
Tepelné výmenníky PTFE sa pri tepelnom šoku nelámu. Viskoelastický polymér reaguje na rýchlu zmenu teploty elastickou deformáciou, nie akumuláciou napätia pri krehkom lomu. Tepelný šok ponecháva PTFE nezmenený.
Viskoelastický akomodačný mechanizmus
Keď sa horúca PTFE trubica náhle ochladí, vonkajší povrch sa stiahne. V krehkom materiáli by tomuto zmršťovaniu odolávalo ešte-horúce, nez{2}}zmrštené vnútro, čo by na povrchu vytváralo ťahové napätie. V PTFE sa polymérne reťazce na povrchu reorganizujú v reakcii na stres. Reťaze sa posúvajú, napätie sa uvoľňuje a materiál sa prispôsobuje zmene rozmerov bez vytvárania elastickej deformačnej energie.
Čas relaxácie napätia pre PTFE pri teplotách nad jeho skleným prechodom (približne 115 stupňov pre PTFE, hoci materiál má viacero prechodov) je rádovo od sekúnd do minút. Počas prechodu rýchleho ochladzovania sa zvyšuje stres a súčasne sa uvoľňuje. Dosiahnuté maximálne napätie je malým zlomkom toho, čo by zažil čisto elastický materiál.
Keď celá trubica dosiahne rovnomernú studenú teplotu, napätie je nulové. Keď sa nádrž vypustí a znova naplní horúcou procesnou kvapalinou, dôjde k spätnému prechodu. Vonkajší povrch sa zahrieva a rozťahuje, kým je interiér ešte studený. PTFE sa vyrovnáva s týmto expanzným napätím rovnakým viskoelastickým spôsobom. Počas opakovaných cyklov sa nehromadí žiadne poškodenie.
| Parameter tepelného šoku | Kremeň | Karbid kremíka | PTFE |
|---|---|---|---|
| Reakcia na rýchle ochladenie | Krehký lom, ak ΔT presiahne ~100 stupňov | Krehký lom, ak ΔT presiahne ~200 stupňov | Viskoelastické ubytovanie |
| Hodnota tepelného šoku (R) | ~100 (nízka) | ~200 (stredne) | Účinne neobmedzené (viskoelastické) |
| Pravdepodobnosť zlomeniny na 70 stupňový šok | 0,1-1 % (závisí od chyby) | < 0.01% | 0% |
| Akumulované poškodenie za cyklus | Šírenie trhliny, ak je iniciované | Šírenie trhliny, ak je iniciované | žiadne |
| Životnosť pri každodennom tepelnom šoku | Týždne až mesiace (ak prežije skoré cykly) | Mesiace až roky | 10+ rokov |
Úvaha o podpore trubice
Zatiaľ čo samotné PTFE rúrky sú odolné voči tepelným šokom, nosná konštrukcia musí tiež reagovať na rýchlu zmenu teploty. Nosné dosky, ak sú vyrobené z materiálu s inými charakteristikami tepelnej rozťažnosti ako PTFE, môžu počas prechodu vytvárať lokálne napätie. Podporné dosky z PTFE, ktoré sa rozťahujú a sťahujú rovnakou rýchlosťou ako rúrky, tento problém eliminujú.
Spojenia rúr-k{1}}hlavičke tiež zažívajú tepelný prechod. Kompresné fitingy musia udržiavať integritu tesnenia, pretože rúrka a fiting podliehajú rýchlym rozmerovým zmenám. Správne utiahnuté PTFE kompresné fitingy s pružnými podložkami Belleville na udržanie zaťaženia počas tepelného cyklovania sa prispôsobia prechodnému javu bez úniku.
Výhoda agilnosti procesu
Odolnosť PTFE proti tepelným šokom umožňuje rýchlu zmenu procesu bez obáv z poškodenia výmenníka tepla. Nádrže je možné vypustiť a znovu naplniť pri akomkoľvek teplotnom rozdiele bez riadeného ochladzovania-alebo zahrievania-. Čas prechodu je skrátený, čím sa zvyšuje agilita výroby zariadenia.
V zariadeniach, kde rôzne produkty vyžadujú rôzne prevádzkové teploty, je schopnosť rýchlo meniť teploty bez poškodenia výmenníka tepla významnou prevádzkovou výhodou. PTFE výmenník neobmedzuje rýchlosť teplotných prechodov.
Zhrnutie
Výmenníky tepla z PTFE odolávajú tepelnému šoku studenej oplachovej vody vstupujúcej do horúcej nádrže prostredníctvom viskoelastickej relaxácie napätia, ktorá zabraňuje hromadeniu napätia z krehkého lomu. Na rozdiel od kremeňa a karbidu kremíka, ktoré sa môžu zlomiť pri rýchlych zmenách teploty, PTFE sa prispôsobuje rozmerovým zmenám bez poškodenia. Odolnosť voči teplotným šokom umožňuje rýchlu zmenu procesu bez riadených-období ochladzovania, čím sa zlepšuje agilita výroby.
Technická podpora pre špecifikáciu výmenníka tepla z PTFE v aplikáciách s tepelným cyklom a rýchlou{0}}prestavbou je k dispozícii po predložení normálnych a extrémnych teplotných rozsahov, frekvencie cyklov a postupov výmeny nádrže.
