Termal Bisiklet Yarışı
Haftanın 7 günü, günün 24 saati, her 30 dakikada bir 95 dereceye kadar ısıtma ve 25 dereceye kadar soğutma arasında kimyasal bir süreç dönüşümlü olarak gerçekleşir. Bir yılda ısı eşanjörü 17.520 tam termal döngüye dayanır. 5-yıldan fazla hizmet ömrü, 87.600 döngü. Bu ara sıra meydana gelen bir süreç bozulması değildir; normal çalışma ritmidir.
Isı eşanjörü için iki malzeme dikkate alınmıştır: silisyum karbür ve PTFE. Silisyum karbür, yüksek termal iletkenlik ve mükemmel kimyasal direnç sunar. PTFE daha düşük iletkenlik ancak eşsiz esneklik sunar. Seçim, hangi malzemenin çatlamadan, sızıntı yapmadan veya yapısal bütünlüğünü kaybetmeden 87.600 termal döngüden sağ çıkabileceğine bağlı.
Termal Stres Fiziği
Termal stres kısıtlı termal genleşmeden kaynaklanır. Bir malzeme ısındığında genişler. Genişleme,-sert montaj, malzeme içindeki sıcaklık değişimleri veya farklı genleşme katsayılarına sahip malzemelere bağlanma nedeniyle-sınırlanırsa gerilim oluşur. Termal gerilimin büyüklüğü elastik modül, termal genleşme katsayısı ve sıcaklık değişiminin çarpımı ile orantılıdır: σ=E × × ΔT.
Silisyum karbür yaklaşık 400 GPa'lık bir elastik modüle ve 4,0 × 10⁻⁶/ derecelik bir termal genleşme katsayısına sahiptir. 70 derecelik bir sıcaklık salınımı için, tamamen kısıtlanmış bir SiC bileşenindeki termal gerilim, malzemenin sinterlenmiş SiC için 350-450 MPa ve reaksiyona bağlı SiC için 250-300 MPa bükülme mukavemetine yakın bir şekilde 112 MPa-'ya yaklaşır. Bir yüzey kusurundan, bir işleme izinden veya bir montaj noktasından kaynaklanan küçük bir gerilim konsantrasyonu bir çatlağı başlatabilir.
PTFE'nin elastik modülü yaklaşık 0,5 GPa ve termal genleşme katsayısı 120 × 10⁻⁶/ derecedir. Aynı 70 derecelik salınım için, kısıtlı bir PTFE bileşenindeki termal gerilim, malzemenin akma dayanımının yaklaşık 4,2 MPa-çok altındadır. PTFE, kırılma eşiğine doğru stres biriktirmek yerine elastik deformasyon yoluyla termal genleşmeyi karşılar.
Tablo 1: Termal Bisiklet Dayanıklılığı Karşılaştırması
| Parametre | Silisyum Karbür | PTFE |
|---|---|---|
| Elastik modül (GPa) | 400 | 0.5 |
| Isıl genleşme katsayısı (10⁻⁶/ derece) | 4.0 | 120 |
| 70 derece ΔT (MPa) için termal gerilim | 112 (tamamen kısıtlanmış) | 4.2 (tamamen kısıtlanmış) |
| Termal stresin malzeme mukavemetine oranı | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| Termal çevrim altında arıza modu | Çatlak ilerlemesinden kaynaklanan gevrek kırılma | Sürünme deformasyonu (sünek) |
| Çatlak başlatma mekanizması | Yüzey kusurlarında; istatistiksel | Uygulanamaz (çatlamadan deforme olur) |
| Arızaya kadar döngüler (70 derece ΔT) | 10³-10⁶ (olasılığa dayalı; kusura bağlı) | >10⁷ servis stresi seviyelerinde |
| Yorulma sınırı | Hiçbiri açıkça tanımlanmadı | %2'nin altındaki suşlarda dayanıklılık sınırı |
| Döngü frekansının etkisi | Daha yüksek oranlarda artan termal eğim | Asgari düzeyde; viskoelastik yanıt oranına-bağımlı |
| Hizmet ömrünün öngörülebilirliği | Düşük (kusurlara-bağlı) | Yüksek (sürünme hızı öngörülebilir) |
Çatlak Yayılma Farkı
Termal döngü altında silisyum karbürde bir çatlak başladığında, her döngüde malzeme boyunca yayılır. Çatlak ucunda enerjiyi absorbe edecek ve yayılmayı yavaşlatacak plastik deformasyon yoktur. Çatlak, kalan kesit-artık yükü destekleyemez hale gelene ve yıkıcı bir kırılma meydana gelene kadar adım adım büyür.
PTFE, normal servis gerilimi seviyelerinde termal çevrim altında çatlamaz. Malzeme viskoelastik olarak deforme olur-polimer zincirleri gerilimi karşılamak için kayar ve yeniden düzenlenir. Çok yüksek gerinimlerde veya çok sayıda döngüden sonra mikro-boşluklar oluşabilir ve birleşerek mekanik özelliklerin kademeli olarak kaybolmasına neden olabilir. Bu, kırılgan bir kırılma süreci değil, sünek bir bozunma sürecidir.
Pratik fark öngörülebilirliktir. Silisyum karbür değiştirici ölçülebilir bir uyarı vermeden aniden arızalanabilir, çünkü arızaya neden olan çatlak, yayılmanın son aşamalarına kadar inceleme sırasında görülemeyebilir. Bir PTFE eşanjörü, ölçülebilir duvar incelmesi ve planlı denetimlerin izleyebileceği boyut değişikliği ile yavaş yavaş bozulur.
Isı Transferi Telafisi
Silisyum karbürün 120-200 W/m·K'lik termal iletkenliği, PTFE'nin 0,25 W/m·K'sine göre önemli bir ısı transferi avantajı sağlar. SiC değiştirici daha kompakttır-yerin kısıtlı olduğu uygulamalarda dikkate alınması gereken önemli bir husustur.
PTFE, ince duvarlı borular ve{0}artırılmış yüzey alanıyla bu durumu telafi eder. Daha büyük ayak izi,-ısıl döngü bağışıklığıyla yapılan takastır. Alanın mevcut olduğu ve döngü güvenilirliğinin çok önemli olduğu uygulamalarda PTFE,-daha düşük riskli bir seçimdir.
Özet
PTFE ısı eşanjörleri, silikon karbürden çok daha yüksek termal döngü dayanıklılığı sergiler çünkü PTFE'nin düşük elastik modülü, termal olarak- indüklenen gerilimi malzeme mukavemet sınırlarının oldukça altında tutar ve viskoelastik deformasyon mekanizması, çatlak başlangıcını önler. Silisyum karbür, kırılgan olduğundan yüzey kusurlarında hasar biriktirir ve öngörülemeyen sayıda döngüden sonra aniden arızalanabilir.
PTFE'nin termal döngü dayanıklılığı avantajı, öngörülebilir hizmet ömrü, planlı bakım ve ani kırılmayla-ilişkili aksama sürelerinin ortadan kaldırılması anlamına gelir. PTFE'nin gerektirdiği daha büyük ısı eşanjörü ayak izi, bu güvenilirliğin-ödemesidir.
Termal çevrim servis malzemesi seçimine yönelik mühendislik analizi, sıcaklık aralığı, çevrim frekansı, gerekli servis ömrü, mevcut kurulum alanı ve ısı görevi spesifikasyonlarının sunulması üzerine mevcuttur.
