Каква е практическата долна граница за дебелината на обвивката от PFA, за да издържи на внезапно охлаждане от 150 градуса до 20 градуса?

Условията на смущения в процеса в линиите за галванопластика, полупроводниковите мокри пейки и системите на химически реактори понякога подлагат PFA капсулованите потопяеми нагреватели на бързо студено охлаждане – нежелано нахлуване на студена течност, което намалява температурата на банята от работно ниво (обикновено 130-150 градуса за много киселинни бани) до околната (20 градуса) за секунди. Този сценарий на термичен шок поставя значително напрежение върху PFA обвивката. Когато външната повърхност на полимера се срещне със студената течност, тя веднага се охлажда, докато вътрешната повърхност остава гореща поради металната нагряваща сърцевина. Термичният градиент през дебелината на обвивката причинява напрежение на опън върху студената (външна) повърхност и напрежение на натиск върху нагрятата (вътрешна) повърхност. Ако напрежението на опън надвиши якостта на полимера при температурата на студената повърхност, напукването се разпространява отвън навътре. При същата скорост на охлаждане по-тънките PFA обвивки имат по-стръмни термични градиенти, тъй като разстоянието, на което температурата се понижава от вътрешната към външната повърхност, е по-малко. Парадоксално е, че една много тънка обвивка може да издържи охлаждането по-добре от тази със средна дебелина, защото охлажда равномерно и не може да поддържа голям градиент. Практическата долна граница на дебелината се определя от конкуриращите се въздействия на стръмността на наклона и абсолютната величина на напрежението, като експерименталните резултати установяват безопасната работна обвивка.

Развитие на термичен градиент по време на моментално охлаждане
Вземете обвивка от PFA при постоянна температура от 150 градуса. Нагревателят бързо се потапя в течност с температура 20 градуса със силен коефициент на конвективен топлопренос (h=1,000–3000 W/m2·K, типична стойност за турбулентна вода или разредена киселина). Температурата на външната повърхност се понижава почти до течно състояние за 0,1-0,3 секунди. Първоначалната температура на вътрешната повърхност е 150 градуса, тъй като полимерът не е в състояние да отведе веднага топлината, идваща от металната сърцевина. Установява се температурен градиент по дебелината на обвивката, като се използва едно-уравнението за топлопроводимост с конвективни гранични условия. Максималното топлинно напрежение σ термично на външната повърхност непосредствено след закаляването се дава от σ термично=E ΔT 1 − v където E е модулът на опън на PFA при средната температура, е линейният коефициент на топлинно разширение (110–120 ppm/градус), ν е коефициентът на Поасон (около 0,45 за PFA), а ΔT е температурната разлика през дебелината на обвивката. За дадена скорост на охлаждане и течност, ΔT в обвивката се мащабира с дебелината. По-дебелата обвивка ще доведе до по-голяма вътрешна-температурна разлика към външната, тъй като отнема повече време за пренос на топлина през стената.

С обвивка с дебелина 0,5 mm температурата на вътрешната повърхност се намалява до 80 градуса в рамките на 0,5 секунди от закаляването, а дебелината на-$\\Delta T$ е максимум около 60 градуса (вътрешна при 80 градуса, външна при 20 градуса). За дебелина на обвивката от 2,0 mm вътрешната повърхност е на 130 градуса след 0,5 секунди, което дава ΔT от 110 градуса. Термичното напрежение се оценява като: 0,5 mm обвивка: σ=600 MPa * 0,00011 * 60 / (1 - 0.45)=~7,2 MPa; 2,0 mm обвивка: σ=600 MPa * 0,00011 * 110 / (1 - 0.45)=~13,2 MPa; По-дебелата обвивка създава приблизително двойно термично напрежение, тъй като по-големият $\\Delta T$ доминира над по-дългия канал за топлопроводимост. Този анализ показва, че по-тънките обвивки всъщност са по-устойчиви на охлаждане от по-дебелите, освен ако обвивката не е толкова тънка, че не може да издържи натиск или механично боравене.

Режими на отказ при тънки срещу дебели обвивки при охлаждане
Експерименталните тестове за охлаждане на PFA обвити нагреватели с дебелина от 0,3 mm до 3,0 mm показват три отделни режима на отказ. В много тънката област (0,3–0,6 mm) основният начин на повреда е механично срутване от външно налягане, а не напукване от термично напрежение. По време на охлаждането PFA се охлажда и свива. Ако има някакви микроскопични празнини или слаби места в обвивката, свиването създава вакуум между PFA и металното ядро ​​и тънкият полимер се свива навътре срещу ядрото. Свиването се проявява като периферни вълни или бръчки по повърхността на обвивката. Бръчките не са мигновена електрическа повреда, но те издържат на повишен локален стрес по време на последователни цикли на нагряване и обикновено се счупват след 10-50 допълнителни термични цикъла. Термичното напрежение не е реалистичната долна граница на устойчивост на охлаждане; това е способността на обвивката да запази цилиндричната си форма при напрежението на натиск, създадено по време на бързото охлаждане.

При тестовете за охлаждане най-добрият процент на оцеляване се наблюдава в диапазона на средна дебелина (0,7–1,2 mm). Обвивката е достатъчно дебела, за да се избегне срутване (твърдостта на обръча расте с куба на дебелината), но достатъчно тънка, така че дебелината на- \\Delta T да е умерена (60–80 градуса). Пиковите топлинни напрежения в този режим са в диапазона 7-10 MPa, доста под якостта на опън при стайна температура на PFA (25-30 MPa). 1,0 mm PFA тръба, изложена на 1000 последователни охлаждания от 150 градуса до 20 градуса, не показва видимо счупване и запазва 90–95% от първоначалните си характеристики на опън. Това високо термично напрежение (12-18 MPa) в режим на дебелина (1,5-3,0 mm) е по-високо от якостта на закаления материал при хладна повърхност. Външната повърхност, охладена до 20 градуса, показва по-малко удължение при скъсване (обикновено 150–200 % спрямо . 300 % при температура на околната среда) и намалена якост на счупване. 5 до 50 цикъла на охлаждане инициират пукнатини по външната повърхност и напредват навътре. Формата на фрактурата е диагностична за термичен шок: много успоредни пукнатини, простиращи се аксиално по дължината на нагревателя, разположени на разстояние 2–5 mm една от друга, проникващи през 30–70% от дебелината на стената. Тези пукнатини не причиняват незабавно изтичане, тъй като оставащият ненапукан PFA продължава да се запечатва, но те работят като концентратори на напрежение, които ускоряват повредата при нормална работа.

Влияние на скоростта на охлаждане и течната среда върху границата на дебелината
Практическата долна граница на дебелината се определя от тежестта на закаляването, която се влияе от коефициента на топлинна дифузия на течността и коефициента на конвективен топлопренос. Най-бързото охлаждане и най-стръмните термични градиенти се произвеждат от вода и разредени киселини (h=1,500-3000 W/m2.K). Органичните разтворители (h=300–800 W/m2·K) се охлаждат по-бавно, намалявайки дебелината на прохода ΔT с 30–50% за същата дебелина на обвивката. При обвивка, по-малка от 0,6 mm, обвивката може да се срути по време на охлаждане с вода, но за охлаждане с органичен разтворител може да е приемливо 0,4 mm. Въздушното охлаждане (h=10-50 W/m2K) причинява незначителен топлинен стрес дори за 3,0 mm обвивки, тъй като бавното охлаждане позволява изравняване на температурата по цялата стена. Границата се определя и от температурата на течността. Закаляването от 150 градуса до 20 градуса е намаляване на температурата от 130 градуса. Чрез намаляване на тежестта на охлаждане от 120 градуса на 20 градуса (спад от 100 градуса), максималното термично напрежение в обвивка от 2,0 mm се намалява от 13,2 MPa до около 9,5 MPa, което попада в диапазона на умерен риск. От друга страна, за ΔT=160 градуса, охлаждане от 180 градуса до 20 градуса, дори обвивка от 0,8 mm ще бъде незначителна, тъй като ΔT през тънката стена все още е 80–90 градуса, причинявайки напрежения от 10–12 MPa с допълнителен риск от колапс.

Състоянието на предварително охлаждане на PFA материала също променя границата на дебелината. Неподложеният на стрес първичен PFA може да издържи на предвидените натоварвания. Въпреки това термично състареният PFA (повече от 1000 часа при 150 градуса) показва намалено молекулно тегло и намалено удължение при скъсване. Пресният PFA с дебелина 1,2 mm преживя 200+ цикъла, докато състареният PFA в 1,2 mm кожух показа започване на пукнатини след 20 цикъла на охлаждане. Следователно долната граница на дебелината за устойчивост на охлаждане трябва да се увеличи с 0,2–0,3 mm за нагреватели с повече от 5000 работни часа. По същия начин PFA, подложен на силни окислителни киселини (концентрирана сярна или азотна киселина), може да образува повърхностни микропукнатини, намалявайки ефективната дебелина. За 1,0 mm обвивка, изложена на 500 h в 96 % H2SO4 при 120 градуса, поведението на охлаждане е подобно на това на 0,7 mm прясна обвивка, тъй като повреденият външен слой се счупва първи и се разпространява в останалия незасегнат материал.

Минимална безопасна дебелина за чувствителни на охлаждане приложения
Минималните препоръчани дебелини на PFA обвивката в придружаващата таблица са за ситуации, при които е възможно бързо студено охлаждане от работна температура до 20 градуса. Стойностите се отнасят за пресен (неотлежал) PFA материал без предишно химическо разграждане и коефициент на конвективен топлопренос, типичен за споменатата течност. За приложения с предвидени охлаждания > 50 пъти годишно, добавете 0,2 mm към минималната дебелина.

Maximum Operating Temperature Quench Liquid Medium Minimum Safe PFA Thickness (Fresh Material) Expected Survival After 100 Quenches Failure Mode Below Minimum 130°C Water or dilute acid (pH 3–9) 0.6 mm >95% survival; no apparent breaking Sheath collapse (wrinkling) down 0.5 mm 140°C Water or dilute acid 0.7 mm >90% преживяемост; възможно е незначително напукване на повърхността Комбиниран колапс и микропукнатини 150 градуса Вода или разредена киселина 0,8 mm 85–95% оцеляване; аксиални пукнатини редки (<5%) Collapse below 0.6 mm; thermal cracking below 0.7 mm 160°C Water or dilute acid 1.0 mm 80–90% survival; acceptable for <100 quenchesAxial cracks >1,5 mm (свръх-стрес)
150oC 1.2 mm Concentrated acid (60-96% H2SO4) 60-80% survivability; check after each quenchCombine chemical degradation + thermal stress 150°C Organic solvent (isopropanol, acetone) 0.5 mm >95% оцеляване Разтворителят може да набъбне PFA, намалявайки устойчивостта на срутване