Hätätilanne
Kemiallinen reaktori kokee karkaavan eksotermin. Ohjausjärjestelmä käynnistää hätäjäähdytyksen: lämmönvaihtimeen ruiskutetaan 5-asteista jäähdytettyä vettä, joka hetki ennen sisälsi prosessinesteen 120 astetta. Putken seinämän lämpötila laskee 120 astetta 10 asteeseen sekunneissa. Lämmönvaihtimen täytyy kestää tämä lämpöshokki murtumatta tai jäähdytysjärjestelmä epäonnistuu juuri silloin, kun sitä eniten tarvitaan.
Borosilikaattilasilämmönvaihtimet määritellään kemiallisessa käsittelyssä niiden kemiallisen inerttiyden ja läpinäkyvyyden vuoksi. PTFE-lämmönvaihtimet on määritelty vastaavan kemiallisen yhteensopivuuden vuoksi. Hätäjäähdytysskenaarioissa näiden kahden materiaalin lämpöshokin kestävyys eroaa suuruusluokittain, millä on turvallisuus-kriittisiä seurauksia.
Lämpöshokin fysiikka
Lämpöshokki tapahtuu, kun materiaali kokee nopean lämpötilan muutoksen, joka aiheuttaa epätasaista lämpölaajenemista. Yhtäkkiä jäähtynyt pintakerros supistuu. Sisäpuoli, joka on edelleen kuuma, vastustaa supistumista. Pinta jännittyy. Vetojännitys on verrannollinen materiaalin kimmomoduuliin, lämpölaajenemiskertoimeen sekä pinnan ja sisäpuolen lämpötilaeroon.
Lämpösokinkestävyysparametri R määrittää materiaalin kyvyn kestää tätä jännitystä murtumatta: R=σ(1-ν)/E, jossa σ on vetolujuus, ν on Poissonin suhde, lämpölaajenemiskerroin ja E on kimmokerroin. Korkeampi R tarkoittaa parempaa lämpöiskun kestävyyttä.
Borosilikaattilasi: σ ≈ 70 MPa, E ≈ 64 GPa, ≈ 3,3 × 10⁻⁶/aste. R ≈ 0,33 × 10³ W/m.
PTFE: σ ≈ 25 MPa, E ≈ 0,5 GPa, ≈ 120 × 10⁻⁶/aste. R ≈ 0,42 × 10³ W/m.
R-arvot ovat vertailukelpoisia, mikä viittaa samanlaiseen lämpöiskun kestävyyteen. Mutta tämä lineaarinen elastinen murtumismekaniikka-analyysi olettaa hauraan murtumisen-lasin rikkoutumistilan. PTFE ei murtu hauraaksi. Se muotoutuu viskoelastisesti. R-parametrien vertailulla ei ole merkitystä, koska vikamekanismit ovat pohjimmiltaan erilaisia.
Taulukko 1: Lämpöshokkivasteen vertailu (120 - 10 astetta hätäjäähdytys, 5 sekunnin siirtymä)
| Parametri | Borosilikaattilasi | PTFE |
|---|---|---|
| Pinnan vetojännitys jäähdytyksessä (MPa) | 30-60 (joustava) | 2-4 (viskoelastinen rentoutus) |
| Jännityksen suhde materiaalin lujuuteen | 0,4-0,85 (murtuma mahdollinen) | 0,08-0,16 (ei murtumaa) |
| Vikatila iskussa | Hauras murtuma; halkeaman leviäminen | Elastinen muodonmuutos; ei halkeilua |
| Murtuman todennäköisyys yksittäisessä tapahtumassa | 5-15 % (vioista riippuen) | 0% |
| Toistuvan lämpöshokin vaikutus | Kumulatiivinen vahinko; halkeamien kasvua | Ei kumulatiivista vaikutusta jännitysrajan alapuolella |
| Piilevä vahinko tapahtuman jälkeen | Mikro{0}}halkeamat voivat levitä myöhemmin | Ei mitään |
| Jäähdytysjärjestelmän toiminta iskun jälkeen | Voi vaarantua murtuman vuoksi | Täysin toimiva |
| Vian turvallisuusseuraus | Hätäjäähdytyksen menetys | Ei epäonnistumista |
Viskoelastinen etu
Kun PTFE kokee nopean lämpötilan muutoksen, polymeeriketjut reagoivat molekyyliliikkeen kautta. Pintakerros supistuu, mutta sen sijaan, että kehittyisi korkea elastinen jännitys, ketjut liukuvat ja järjestäytyvät uudelleen. Stressi rentoutuu sekunneissa tai minuuteissa lämpötilasta riippuen. Tämä viskoelastinen rentoutuminen on syynä siihen, että PTFE ei murtu lämpöshokin vaikutuksesta.
Lasilla ei ole rentoutumismekanismia. Silikaattiverkon ioniset-kovalenttiset sidokset eivät voi liukua. Elastinen jännitys kasvaa, kunnes joko lämpötilagradientti häviää tai lasi murtuu. Lopputulos riippuu pintavioista-, naarmuista, sulkeumaista tai valmistusvirheistä-, jotka keskittyvät jännitykseen. Lasikomponentti, jossa on havaitsematon pintavika, voi kestää sata lämpösykliä ja murtua sadasta ensimmäisestä.
Lasin murtuman todennäköisyys on ristiriidassa{0}}turvallisuuskriittisten jäähdytyssovellusten kanssa. PTFE:n deterministinen lämpöshokkikestävyys -joka on taattu sen viskoelastisella molekyylikäyttäytymisellä-, mikä takaa hätäjärjestelmien vaatiman luotettavuuden.
Käytännön vaikutukset lämmönvaihtimen määrittelyyn
Hätäjäähdytyssovelluksissa, joissa lämmönvaihtimen vikaantuminen lämpöshokkitapahtuman aikana vaarantaisi prosessin turvallisuuden, PTFE on määriteltävä, elleivät prosessin lämpötilat ylitä sen 260 asteen rajaa. Vaikka borosilikaattilasi on kemiallisesti yhteensopiva, se aiheuttaa liian suuren murtumistodennäköisyyden lämpötransientin aikana.
Alkuperäinen kustannusero PTFE- ja borosilikaattilasilämmönvaihtimien välillä on toissijainen turvallisuusnäkökohtien kannalta. Hätätilanteen aikana epäonnistuneella jäähdytysjärjestelmällä on seurauksia, jotka mitataan omaisuusvahingoilla, ympäristöpäästöillä ja henkilöstön turvallisuudella-ei laitteiden vaihtokustannuksilla.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet kestävät pohjimmiltaan lämpöshokkia paremmin kuin borosilikaattilasi, koska PTFE reagoi lämpörasitukseen viskoelastisella relaksaatiolla eikä elastisen jännityksen kerääntymisellä. Lasi voi murtua todennäköisesti hätäjäähdytystransienttien aikana; PTFE ei voi. Turvallisuus-kriittisissä jäähdytyssovelluksissa, joihin liittyy nopeita lämpötilan muutoksia, PTFE tarjoaa deterministisen luotettavuuden, jota lasi ei voi vastata.
PTFE:n viskoelastinen molekyylikäyttäytyminen-sen kyky lievittää lämpöjännitystä ketjun liikkeen kautta-on fyysinen perusta tälle edulle. Mikään laadunvalvonta tai tarkastus ei voi poistaa lasin luontaista haurautta.
Lämpösokkia kestävän lämmönvaihtimen tekninen analyysi-on saatavilla, kun toimitetaan normaalit ja hätäkäyttölämpötilat, jäähdytysveden parametrit, lämpökäyttö ja prosessin turvallisuutta koskevat vaatimukset.
