Lämpöpyöräilykilpailu
Kemiallinen prosessi vuorottelee kuumennuksen 95 asteeseen ja jäähdytyksen välillä 25 asteeseen 30 minuutin välein, 24 tuntia päivässä, 7 päivänä viikossa. Yhden vuoden aikana lämmönvaihdin kestää 17 520 täyttä lämpösykliä. Yli 5-vuoden käyttöikä, 87 600 sykliä. Tämä ei ole satunnainen prosessin järkytys - se on normaali toimintarytmi.
Lämmönvaihtimessa harkitaan kahta materiaalia: piikarbidia ja PTFE:tä. Piikarbidi tarjoaa korkean lämmönjohtavuuden ja erinomaisen kemiallisen kestävyyden. PTFE tarjoaa alhaisemman johtavuuden, mutta vertaansa vailla olevan joustavuuden. Valinta riippuu siitä, mikä materiaali kestää 87 600 lämpösykliä halkeilematta, vuotamatta tai menettämättä rakenteellista eheyttä.
Lämpöstressin fysiikka
Lämpöjännitys syntyy rajoitetusta lämpölaajenemisesta. Kun materiaali kuumenee, se laajenee. Jos laajenemista rajoittaa-jäykkä asennus, materiaalin lämpötilagradientit tai kiinnittäminen materiaaleihin, joilla on erilaiset laajenemiskertoimet, -kehittyy jännitys. Lämpöjännityksen suuruus on verrannollinen kimmomoduulin, lämpölaajenemiskertoimen ja lämpötilan muutoksen tuloon: σ=E × × ΔT.
Piikarbidin kimmokerroin on noin 400 GPa ja lämpölaajenemiskerroin 4,0 × 10-⁶/aste. 70 asteen lämpötilan heilahtelussa lämpöjännitys täysin rajoitetussa SiC-komponentissa lähestyy 112 MPa-lähellä materiaalin taivutuslujuutta 350-450 MPa sintratulle piikarbidille ja 250-300 MPa reaktiosidokselle SiC:lle. Pieni jännityspitoisuus pintavirheestä, koneistusjäljestä tai kiinnityskohdasta voi aiheuttaa halkeaman.
PTFE:n kimmomoduuli on noin 0,5 GPa ja lämpölaajenemiskerroin 120 × 10-⁶/aste. Samalla 70 asteen heilahtelulla lämpöjännitys rajoitetussa PTFE-komponentissa on noin 4,2 MPa-reilusti materiaalin myötölujuuden alapuolella. PTFE mukautuu lämpölaajenemiseen elastisen muodonmuutoksen kautta sen sijaan, että se kerääisi jännitystä kohti murtumiskynnystä.
Taulukko 1: Lämpöpyöräilyn kestävyyden vertailu
| Parametri | Piikarbidi | PTFE |
|---|---|---|
| Kimmomoduuli (GPa) | 400 | 0.5 |
| Lämpölaajenemiskerroin (10⁻⁶/aste) | 4.0 | 120 |
| Lämpöjännitys 70 asteen ΔT (MPa) | 112 (täysin rajoitettu) | 4.2 (täysin rajoitettu) |
| Lämpöjännityksen suhde materiaalin lujuuteen | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| Vikatila lämpökierron aikana | Hauras murtuma halkeamien leviämisestä | Virumisen muodonmuutos (muovaava) |
| Halkeaman alkamismekanismi | Pintavirheissä; tilastollinen | Ei sovellu (muodostuu halkeilematta) |
| Syklit epäonnistumiseen (70 astetta ΔT) | 10³-10⁶ (todennäköisyys; viasta riippuvainen) | >10⁷ palvelun stressitasoilla |
| Väsymysraja | Mikään ei ole selkeästi määritelty | Kestävyysraja rasituksissa alle 2 % |
| Jakson taajuuden vaikutus | Lisääntynyt lämpögradientti korkeammilla nopeuksilla | Minimaalinen; viskoelastinen vastenopeus-riippuvainen |
| Käyttöiän ennustettavuus | Matala (vika{0}}riippuvainen) | Korkea (ryömintänopeus ennustettavissa) |
Halkeamien leviämisen ero
Kun halkeama alkaa piikarbidissa lämpökierron aikana, se etenee materiaalin läpi jokaisen syklin aikana. Halkeaman kärjessä ei ole plastista muodonmuutosta, joka absorboi energiaa ja hidastaa etenemistä. Halkeama kasvaa asteittain, kunnes jäljellä oleva poikkileikkaus-ei enää kestä kuormaa, ja tapahtuu katastrofaalinen murtuma.
PTFE ei halkeile lämpökierron aikana normaaleissa käyttöjännitystasoissa. Materiaali muuttaa muotoaan viskoelastisesti,{1}}polymeeriketjut liukuvat ja järjestyvät uudelleen sopeutuakseen jännitykseen. Erittäin suurilla jännityksillä tai erittäin suuren jaksomäärän jälkeen mikro-tyhjiöt voivat muodostua ja sulautua yhteen, mikä johtaa mekaanisten ominaisuuksien asteittaiseen menettämiseen. Tämä on sitkeä hajoamisprosessi, ei haurasmurtumaprosessi.
Käytännön ero on ennustettavuus. Piikarbidivaihdin voi epäonnistua äkillisesti ilman mitattavissa olevaa varoitusta, koska vian aiheuttava halkeama voi olla näkymätön tarkastuksessa leviämisen viimeisiin vaiheisiin asti. PTFE-vaihdin hajoaa vähitellen, jolloin seinien oheneminen ja mittamuutokset ovat mitattavissa, mitä ajoitetuissa tarkastuksissa voidaan seurata.
Lämmönsiirron kompensointi
Piikarbidin lämmönjohtavuus 120-200 W/m·K tarjoaa merkittävän lämmönsiirtoedun verrattuna PTFE:n arvoon 0,25 W/m·K. SiC-vaihdin on kompaktimpi-tärkeä näkökohta rajoitetuissa sovelluksissa.
PTFE kompensoi ohuen seinämän{0}}putken ja suuremman pinta-alan ansiosta. Suurempi jalanjälki on kompromissi-lämpöpyöräilyn kestävyydelle. Sovelluksissa, joissa tilaa on vapaana ja pyöräilyn luotettavuus on ensiarvoisen tärkeää, PTFE on alhaisempi-riskivaihtoehto.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimilla on paljon suurempi lämpökiertokestävyys kuin piikarbidilla, koska PTFE:n alhainen kimmokerroin pitää termisesti{0}}indusoidun jännityksen selvästi materiaalin lujuusrajojen alapuolella ja sen viskoelastinen muodonmuutosmekanismi estää halkeamien syntymisen. Piikarbidi, koska se on hauras, kerää vaurioita pintavirheisiin ja voi äkillisesti epäonnistua arvaamattoman monien jaksojen jälkeen.
PTFE:n lämpökierron kestävyyden etu tarkoittaa ennustettavaa käyttöikää, määräaikaishuoltoa ja äkillisten murtumien{0}}seisokkien eliminointia. PTFE:n vaatima suurempi lämmönvaihtimen jalanjälki on-alennus tälle luotettavuudelle.
Tekninen analyysi lämpösyklien huoltomateriaalien valinnasta on saatavilla, kun lämpötila-alue, syklin tiheys, vaadittu käyttöikä, käytettävissä oleva asennustila ja lämpökäyttövaatimukset on toimitettu.
