Која је практична доња граница за дебљину омотача ПФА да издржи изненадно хладно гашење од 150 степени до 20 степени?

Услови поремећених процеса у линијама за галванизацију, полупроводничким столовима и системима хемијских реактора понекад излажу ПФА инкапсулиране имерзионе грејаче брзом хладном гашењу – ненамерном приливу хладне течности која смањује температуру купатила са радног нивоа (обично 130-150 степени за многе киселе купке) на амбијенталну за 20 степени у секунди. Овај сценарио топлотног шока ставља значајан стрес на ПФА омотач. Како се спољна површина полимера сусреће са хладном течношћу, он се одмах хлади, док унутрашња површина остаје врућа због металног грејног језгра. Топлотни градијент кроз дебљину омотача изазива затезни напон на хладној (спољној) површини и напон притиска на загрејаној (унутрашњој) површини. Ако затезни напон премашује чврстоћу полимера на температури хладне површине, пуцање се шири споља ка унутра. За исту брзину хлађења, тањи ПФА омотачи имају стрмије термичке градијенте јер је раздаљина на којој се температура спушта од унутрашње ка спољашњој површини мања. Парадоксално, веома танак омотач може преживети гашење боље од оне средње дебљине јер се равномерно хлади и не може да издржи велики градијент. Практична доња граница дебљине одређена је конкурентским утицајима стрмине градијента и апсолутне величине напрезања, при чему експериментални резултати утврђују безбедну радну овојницу.

Развој топлотног градијента током тренутног гашења
Узмите ПФА омотач на константној температури од 150 степени. Грејач се брзо урања у течност од 20 степени са јаким коефицијентом конвективног преноса топлоте (х=1, 000–3 000 В/м2·К, типична вредност за турбулентну воду или разблажену киселину). Температура спољашње површине се спушта до скоро течног стања за 0,1-0,3 секунде. Почетна температура унутрашње површине је 150 степени пошто полимер није у стању да одмах спроведе топлоту која долази из металног језгра. Температурни градијент се успоставља преко дебљине омотача помоћу једнодимензионалне једначине топлотне проводљивости са конвективним граничним условима. Максимални топлотни напон σ термички на спољној површини непосредно након гашења је дат са σ термичком=Е ΔТ 1 − в где је Е модул затезања ПФА на средњој температури, линеарни коефицијент топлотног ширења (110–120 ппм/степен), ν је Поиссонов однос П04 (Пуароунд-ов однос 0Т). разлика у дебљини омотача. За дату брзину хлађења и течност, ΔТ преко омотача се повећава са дебљином. Дебљи омотач ће произвести већу унутрашњу-спољну температурну разлику јер је потребно дуже да топлота пређе кроз зид.

Са омотачем дебљине 0,5 мм, температура унутрашње површине се смањује на 80 степени у року од 0,5 секунди од гашења, а -дебљина $\\Делта Т$ је максимално око 60 степени (унутрашња на 80 степени, спољашња на 20 степени). За дебљину омотача од 2,0 мм унутрашња површина је на 130 степени након 0,5 секунди дајући ΔТ од 110 степени. Термички напон је процењен као: омотач од 0,5 мм: σ=600 МПа * 0,00011 * 60 / (1 - 0.45)=~7,2 МПа; омотач од 2,0 мм: σ=600 МПа * 0,00011 * 110 / (1 - 0.45)=~13,2 МПа; Дебљи омотач производи отприлике двоструко веће топлотно напрезање, пошто већи $\\Делта Т$ доминира над дужим каналом за проводљивост топлоте. Ова анализа показује да су тањи омотачи заправо отпорнији на гашење од дебљих, осим ако је омотач толико танак да не може да издржи притисак или механичко руковање.

Режими квара у танким наспрам дебелих омотача под гашењем
Експериментални тестови гашења на грејачима у кућишту од ПФА дебљине од 0,3 мм до 3,0 мм показују три одвојена режима отказа. У веома танком домену (0,3–0,6 мм) главни начин квара је механички колапс од спољашњег притиска, а не пуцање под термичким напрезањем. Током гашења ПФА се хлади и скупља. Ако постоје микроскопске празнине или слаба места у омотачу, контракција ствара вакуум између ПФА и металног језгра и танак полимер колабира према унутра о језгро. Колапс се показује као ободно таласање или боре на површини омотача. Боре нису тренутни електрични кварови, али подносе повећано локално оптерећење током узастопних циклуса загревања и обично се ломе након 10-50 даљих термичких циклуса. Термичко напрезање није реална доња граница отпорности на гашење; то је способност омотача да задржи своју цилиндричну форму под притиском обруча који настаје током брзог хлађења.

У тестирању гашења, најбоља стопа преживљавања се види у опсегу средње дебљине (0,7–1,2 мм). Плашт је довољно дебео да избегне колапс (крутост обруча расте са коцком дебљине), али довољно танак да кроз -дебљину \\Делта Т буде скроман (60–80 степени). Максимална топлотна напрезања у овом режиму су у опсегу 7-10 МПа, знатно испод затезне чврстоће ПФА на собној температури (25-30 МПа). ПФА цев од 1,0 мм изложена 1000 узастопних гашења од 150 степени до 20 степени не показује очигледно ломљење и чува 90–95% својих оригиналних затезних карактеристика. Ово високо топлотно напрезање (12-18 МПа) у дебелом режиму (1,5-3,0 мм) је веће од чврстоће каљеног материјала на хладној површини. Спољна површина, охлађена на 20 степени, показује мање издужење при ломљењу (обично 150–200 % према. 300 % на температури околине) и смањена жилавост лома. 5 на 50 циклуса гашења покрећу пукотине на спољашњој површини и напредују према унутра. Облик лома је дијагностика топлотног шока: многе паралелне пукотине које се протежу аксијално дуж грејача, на размаку од 2–5 мм, продиру у 30–70% дебљине зида. Ове пукотине не морају нужно узроковати тренутно цурење јер преостали ненапукли ПФА настављају да заптивају, али раде као концентратори напона који убрзавају квар у нормалном раду.

Утицај брзине хлађења и течног медијума на границу дебљине
Практична доња граница дебљине одређена је јачином гашења, на коју утичу топлотна дифузивност течности и коефицијент конвективног преноса топлоте. Најбрже хлађење и најстрмији топлотни градијенти се производе водом и разблаженим киселинама (х=1, 500-3.000 В/м2.К). Органски растварачи (х=300–800 В/м2·К) хладе се спорије, смањујући пропусну дебљину ΔТ за 30–50% за исту дебљину омотача. Са омотачем мањим од 0,6 мм, омотач може да се сруши током гашења водом, међутим за гашење органским растварачем 0,4 мм може бити прихватљиво. Ваздушно хлађење (х=10-50 В/м2К) узрокује мање топлотно напрезање чак и за омоте од 3,0 мм, пошто споро хлађење дозвољава изједначавање температуре преко зида. Граница је такође дефинисана температуром течности. Гашење са 150 степени на 20 степени је смањење температуре за 130 степени. Смањењем озбиљности гашења са 120 степени на 20 степени (пад од 100 степени), максимално топлотно напрезање у омотачу од 2,0 мм се смањује са 13,2 МПа на око 9,5 МПа, што спада у опсег умереног ризика. С друге стране, за ΔТ=160 степен, гашење од 180 степени до 20 степени, чак и омотач од 0,8 мм ће бити занемарљив, пошто је ΔТ преко танког зида и даље 80-90 степени, узрокујући напрезање од 10-12 МПа са додатним ризиком од колапса.

Стање пре{0}}гашења ПФА материјала такође мења границу дебљине. ПФА без стреса може издржати предвиђена оптерећења. Међутим, термички остарели ПФА (више од 1000 сати на 150 степени) показује смањену молекулску тежину и смањено издужење при прекиду. Свежи ПФА дебљине 1,2 мм преживео је 200+ циклуса, док је стари ПФА у омотачу од 1,2 мм показао почетак пуцања након 20 циклуса гашења. Стога, доњу границу дебљине отпорности на гашење треба повећати за 0,2–0,3 мм за грејаче са више од 5000 радних сати. Слично, ПФА подвргнут јаким оксидирајућим киселинама (концентрована сумпорна или азотна киселина) може формирати површинске микропукотине, смањујући ефективну дебљину. За омотач од 1,0 мм изложен 500 х у 96% Х2СО4 на 120 степени, понашање гашења је слично оном код свежег омотача од 0,7 мм, пошто се оштећени спољни слој први ломи и шири у преостали материјал који није погођен.

Минимална безбедна дебљина за апликације подложне гашењу
Минималне препоручене дебљине ПФА омотача у пратећој табели су за ситуације у којима је могуће брзо хладно гашење са радне температуре на 20 степени. Вредности се односе на свеж (нестарели) ПФА материјал без претходне хемијске деградације и коефицијента конвективног преноса топлоте типичним за поменуту течност. За апликације са предвиђеним гашењем > 50 пута годишње, додајте 0,2 мм на минималну дебљину.

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% преживљавања; могућа мања површинска пуцања Комбиновани колапс и микропукотине 150 степени Вода или разблажена киселина 0,8 мм 85–95% преживљавања; аксијалне пукотине ретке (<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 мм (преко-напрезања)
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% преживљавања Растварач може набубрити ПФА, смањујући отпорност на колапс