断続的なポンプ動作により PTFE 浸漬ヒーターに熱衝撃亀裂が生じるのはなぜですか?

ある化学プラントでは、使用開始からわずか 7 か月後にニッケルメッキタンク内の PTFE 浸漬ヒーターを紛失しました。シースには、下部加熱部分に沿って細かい交差する亀裂のパターンが見られました。亀裂はエッジや液線に集中していませんでした。それらはタンクの再循環入口に面したエリア全体に分散されました。プラントの循環ポンプは、エネルギーを節約するために 15 分ごとにオンとオフを繰り返すようにプログラムされていました。各ポンプサイクルはヒーター表面に熱衝撃を与えます。

熱衝撃亀裂は、PTFE 浸漬ヒーター表面が、生じるひずみに対応するポリマーの能力を超える急激な温度変化を受けると発生します。亀裂は、表面が下にある材料よりも速く膨張または収縮するために形成されます。時間の経過とともに、周期的な応力により疲労亀裂が発生します。

ポンプの循環が熱衝撃を引き起こす仕組み

循環ポンプが作動しているときは、ヒーター表面の流速が速くなります。境界層が薄く、熱伝達が効率的です。シースの表面温度はバルク流体の 10 ～ 15 度以内に留まります。

ポンプが停止すると、ヒーター表面での流速はゼロ近くまで低下します。境界層が厚くなり、熱伝達効率が崩れます。シースの表面温度は、場合によっては数分以内に 20 ～ 30 度上昇します。 PTFE の熱膨張は増加します。

ポンプが再起動すると、高速の流れによって表面が急速に冷却されます。{0} PTFEは収縮します。下地の金属はそれほど早く冷えていないため、収縮が抑制されます。 PTFE は引張応力を受けます。加熱と冷却を繰り返すと疲労亀裂が発生します。

ポンプのサイクル頻度と熱衝撃亀裂に対するその影響

なぜ亀裂が入口付近に集中するのか

亀裂は、熱衝撃が最も大きい場所、つまり再循環入口に面した領域に形成されます。{0}ポンプが再起動すると、入口の流れがその領域に直接衝突します。そこの表面はヒーターの他の部分よりも早く冷えます。衝突領域と周囲の表面との間の熱勾配により、最大の応力が発生します。

故障したヒーターの亀裂は、入口流路を中心とした幅約 150 mm の帯状に集中していました。ヒーターの残りの部分には、わずかな表面の変色しか見られませんでした。

熱衝撃と熱疲労の違い

熱衝撃と熱疲労は関連していますが、別のものです。熱疲労は、ヒーターが 2 つの温度の間を長期間にわたって繰り返すと発生します。 1サイクルあたりの温度変化が緩やかでストレスが少ない。亀裂はゆっくりと、多くの場合何年もかけて進行します。

熱衝撃は、1サイクルあたりの温度変化が大きく、急激な場合に発生します。応力が高く、亀裂が急速に発達します。多くの場合、亀裂は熱疲労よりも深刻で、より広範囲に分布します。

熱衝撃割れの防止

最も効果的な防止は、ヒーター表面の流れの急激な変化を避けることです。ポンプを継続的に稼働させることで、熱衝撃サイクルが排除されます。エネルギー節約が必要な場合は、オン/オフ ポンプよりも最小限の流量を維持する可変速度ポンプの方が適しています。-

ポンプのサイクルが避けられない場合、サイクル期間は、サイクル間でヒーターの表面温度が安定するのに十分な長さである必要があります。 30 分のサイクルは 10 分のサイクルよりもストレスが少なくなります。最小サイクル期間は、ヒーターとタンクの熱質量によって異なります。

厚い PTFE シースと低いワット密度を備えたヒーターは、熱質量が大きくなり、表面温度が低くなります。流れの変化に対する反応が遅くなり、熱衝撃応力が低くなります。

熱衝撃割れの防止対策

熱衝撃亀裂が設計上の問題を示す場合

ポンプの連続運転にもかかわらずヒーターに熱衝撃亀裂が発生する場合は、ヒーターの設計またはタンクのレイアウトが局所的な熱応力を引き起こしていることを示しています。ワット密度が低く、シースが厚く、流れが最適化された位置を備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成により、熱衝撃の根本原因に対処します。{1}}仕様プロセスには、ポンプの動作スケジュール、ヒーターでの流速、バスの化学薬品、および必要なワット数が必要です。断続的な循環を行う施設の場合、この用途固有のアプローチにより、熱衝撃による亀裂が軽減され、ヒーターの耐用年数が延長されます。-