Termorattavõistlus
Keemiline protsess toimub vaheldumisi kuumutamise 95 kraadini ja jahutamise vahel 25 kraadini iga 30 minuti järel, 24 tundi ööpäevas, 7 päeva nädalas. Ühe aasta jooksul peab soojusvaheti vastu 17 520 täissoojustsüklit. Üle 5-aastase kasutusea, 87 600 tsüklit. See ei ole aeg-ajalt häiriv protsess – see on tavaline töörütm.
Soojusvaheti jaoks võetakse arvesse kahte materjali: ränikarbiidi ja PTFE. Ränikarbiid pakub kõrget soojusjuhtivust ja suurepärast keemilist vastupidavust. PTFE pakub madalamat juhtivust, kuid ületamatut paindlikkust. Valik sõltub sellest, milline materjal peab ellu 87 600 termilist tsüklit pragunemata, lekkimata või struktuurset terviklikkust kaotamata.
Termilise stressi füüsika
Termiline pinge tuleneb piiratud soojuspaisumisest. Kui materjal kuumeneb, siis see paisub. Kui paisumist piirab-jäik paigaldus, materjali temperatuurigradientid või erinevate paisumisteguritega materjalide külge kinnitamine, siis tekib pinge. Termilise pinge suurus on võrdeline elastsusmooduli, soojuspaisumise koefitsiendi ja temperatuurimuutuse korrutisega: σ=E × × ΔT.
Ränikarbiidi elastsusmoodul on ligikaudu 400 GPa ja soojuspaisumistegur 4,0 × 10⁻⁶/kraadi. Temperatuuri 70-kraadise kõikumise korral läheneb täielikult piiratud SiC komponendi termiline pinge 112 MPa-lähedaselt materjali paindetugevusele 350-450 MPa paagutatud SiC ja 250–300 MPa reaktsiooniseotud SiC puhul. Pindefektist, töötlusjäljest või kinnituspunktist tingitud väike pingekontsentratsioon võib tekitada pragu.
PTFE elastsusmoodul on ligikaudu 0,5 GPa ja soojuspaisumistegur 120 × 10⁻⁶/kraadi. Sama 70-kraadise pöörde korral on piiratud PTFE komponendi termiline pinge ligikaudu 4,2 MPa- tunduvalt madalam materjali voolavuspiirist. PTFE kohandab soojuspaisumist elastse deformatsiooni kaudu, mitte kogub pinget murdumisläve suunas.
Tabel 1: termilise jalgrattasõidu vastupidavuse võrdlus
| Parameeter | Ränikarbiid | PTFE |
|---|---|---|
| Elastsusmoodul (GPa) | 400 | 0.5 |
| Soojuspaisumise koefitsient (10⁻⁶/kraad) | 4.0 | 120 |
| Termiline pinge 70 kraadi ΔT jaoks (MPa) | 112 (täielikult piiratud) | 4.2 (täielikult piiratud) |
| Termilise pinge ja materjali tugevuse suhe | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| Rikkerežiim termotsükli ajal | Habras murd pragude levimisest | Rooma deformatsioon (plastiline) |
| Pragude tekkimise mehhanism | Pindefektide korral; statistiline | Ei ole rakendatav (deformeerub ilma pragudeta) |
| Tsüklid rikkeni (70 kraadi ΔT) | 10³-10⁶ (tõenäosuslik; defektist sõltuv) | >10⁷ teenuse stressitasemel |
| Väsimuse piir | Ükski pole selgelt määratletud | Vastupidavuspiir pingete korral alla 2% |
| Tsükli sageduse mõju | Suurenenud termiline gradient kõrgematel kiirustel | Minimaalne; viskoelastne reageerimismäär-sõltub |
| Kasutusaja prognoositavus | Madal (sõltub defektist-) | Kõrge (roomumiskiirus prognoositav) |
Pragude levimise erinevus
Kui ränikarbiidis tekib termilise tsükli käigus pragu, levib see iga tsükliga läbi materjali. Prao otsas pole plastilist deformatsiooni, mis neelaks energiat ja aeglustaks levikut. Pragu kasvab järk-järgult, kuni ülejäänud ristlõige ei talu enam koormust ja tekib katastroofiline murd.
PTFE ei purune termilise tsükli ajal normaalse tööpingetaseme korral. Materjal deformeerub viskoelastselt,{1}}polümeerketid libisevad ja reorganiseerivad, et kohaneda pingega. Väga suurte pingete korral või pärast väga suurt arvu tsükleid võivad tekkida mikro-tühjad ja need ühineda, mis viib mehaaniliste omaduste järkjärgulise kadumiseni. See on plastiline lagunemisprotsess, mitte rabeda purunemise protsess.
Praktiline erinevus on prognoositavus. Ränikarbiidist soojusvaheti võib ootamatult rikki minna ilma mõõdetava hoiatuseta, kuna rikke põhjustav pragu võib olla kuni levimise viimaste etappideni kontrollimisel nähtamatu. PTFE soojusvaheti laguneb järk-järgult koos mõõdetava seina õhenemise ja mõõtmete muutusega, mida plaanilised kontrollid saavad jälgida.
Soojusülekande kompenseerimine
Ränikarbiidi soojusjuhtivus 120-200 W/m·K annab märkimisväärse soojusülekandeeelise PTFE 0,25 W/m·K ees. SiC soojusvaheti on kompaktsem{4}}oluliselt piiratud ruumiga rakendustes.
PTFE kompenseerib seda õhukese{0}}seina torustiku ja suurema pinnaga. Suurem jalajälg on kompromiss -termilise rattakindluse osas. Rakendustes, kus ruumi on saadaval ja rattasõidu töökindlus on ülitähtis, on PTFE madalam-riski valik.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvahetitel on palju suurem termilise tsükli kestvus kui ränikarbiidil, kuna PTFE madal elastsusmoodul hoiab termiliselt{0}}indutseeritud pinge tunduvalt allpool materjali tugevuspiire ja selle viskoelastne deformatsioonimehhanism takistab pragude teket. Ränikarbiid, mis on rabe, kogub pinnadefektidele kahjustusi ja võib pärast ettearvamatut arvu tsükleid ootamatult rikki minna.
PTFE soojustsükli vastupidavuse eelis tähendab prognoositavat kasutusiga, plaanilist hooldust ja äkiliste{0}}murdudega seotud seisakute kõrvaldamist. PTFE nõutav suurem soojusvaheti jalajälg on selle töökindluse jaoks-väike.
Temperatuuritsükli, tsükli sageduse, nõutava kasutusea, saadaoleva paigaldusruumi ja soojusvõimsuse spetsifikatsioonide esitamisel on võimalik teha tehniline analüüs soojustsüklite hooldusmaterjalide valimiseks.
