Una planta química perdió un calentador de inmersión de PTFE en un tanque de niquelado después de sólo siete meses de servicio. La funda mostraba un patrón de finas grietas que se cruzaban a lo largo de la sección inferior calentada. Las grietas no se concentraron en los bordes ni en la línea de líquido. Estaban distribuidos por la zona que daba a la entrada de recirculación del tanque. La bomba de circulación de la planta fue programada para encenderse y apagarse cada quince minutos para ahorrar energía. Cada ciclo de bomba impuso un choque térmico en la superficie del calentador.
El agrietamiento por choque térmico ocurre cuando la superficie de un calentador de inmersión de PTFE experimenta cambios rápidos de temperatura que exceden la capacidad del polímero para adaptarse a la tensión resultante. Las grietas se forman porque la superficie se expande o contrae más rápido que el material subyacente. Con el tiempo, la tensión cíclica provoca grietas por fatiga.
Cómo el ciclo de la bomba crea un choque térmico
Cuando la bomba de circulación está funcionando, la velocidad del fluido en la superficie del calentador es alta. La capa límite es delgada y la transferencia de calor es eficiente. La temperatura de la superficie de la vaina se mantiene entre 10 y 15 grados con respecto al fluido a granel.
Cuando la bomba se detiene, la velocidad del fluido en la superficie del calentador cae casi a cero. La capa límite se espesa y la eficiencia de transferencia de calor colapsa. La temperatura de la superficie de la vaina aumenta, a veces entre 20 y 30 grados, en cuestión de minutos. La expansión térmica del PTFE aumenta.
Cuando la bomba se reinicia, el flujo de alta-velocidad enfría rápidamente la superficie. Los contratos de PTFE. El metal subyacente, que no se ha enfriado tan rápidamente, limita la contracción. El PTFE sufre tensiones de tracción. Los ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento provocan grietas por fatiga.
| Período del ciclo de la bomba | Superficie ΔT durante el ciclo apagado | Superficie ΔT durante el ciclo activo | Amplitud de estrés | Es hora de romper |
|---|---|---|---|---|
| 30 minutos encendido/apagado | 15-20 grados | 10 a 15 grados | Moderado | 18 a 30 meses |
| 15 minutos encendido/apagado | 20-30 grados | 15-20 grados | Alto | 8 a 16 meses |
| 10 minutos encendido/apagado | 25-35 grados | 18-25 grados | muy alto | 4 a 10 meses |
| 5 minutos encendido/apagado | 30 a 45 grados | 20-30 grados | Severo | 2 a 6 meses |
Frecuencia de ciclo de la bomba y su efecto sobre el agrietamiento por choque térmico.
Por qué las grietas se concentran cerca de la entrada
Las grietas se forman donde el choque térmico es más severo-el área que mira a la entrada de recirculación. Cuando la bomba se reinicia, el flujo de entrada incide directamente en esa área. La superficie allí se enfría más rápido que el resto del calentador. El gradiente térmico entre el área afectada y la superficie circundante crea la tensión más alta.
Las grietas en el calentador averiado se concentraron en una banda de aproximadamente 150 mm de ancho, centrada en la trayectoria del flujo de entrada. El resto del calentador mostró sólo una decoloración superficial menor.
La diferencia entre choque térmico y fatiga térmica
El choque térmico y la fatiga térmica están relacionados pero son distintos. La fatiga térmica ocurre cuando el calentador oscila entre dos temperaturas durante un período prolongado. El cambio de temperatura por ciclo es moderado y el estrés es bajo. Las grietas se desarrollan lentamente, a menudo a lo largo de años.
El choque térmico ocurre cuando el cambio de temperatura por ciclo es grande y rápido. La tensión es alta y las grietas se desarrollan rápidamente. Las grietas suelen ser más graves y estar más ampliamente distribuidas que en la fatiga térmica.
Prevención del agrietamiento por choque térmico
La prevención más eficaz es evitar cambios rápidos de flujo en la superficie del calentador. Una bomba en funcionamiento continuo elimina el ciclo de choque térmico. Si se requiere ahorrar energía, una bomba-de velocidad variable que mantenga un flujo mínimo es mejor que una bomba de encendido/apagado.
Si el ciclo de la bomba es inevitable, el período del ciclo debe ser lo suficientemente largo como para permitir que la temperatura de la superficie del calentador se estabilice entre ciclos. Un ciclo de 30 minutos impone menos estrés que un ciclo de 10 minutos. El período mínimo del ciclo depende de la masa térmica del calentador y del tanque.
Un calentador con una funda de PTFE más gruesa y una menor densidad de vatios tiene más masa térmica y una temperatura superficial más baja. Responde más lentamente a los cambios en el flujo y experimenta un menor estrés por choque térmico.
| Medida de Prevención | Efecto sobre el choque térmico | Implementación | Costo |
|---|---|---|---|
| Funcionamiento continuo de la bomba | Elimina el ciclo de choque | Cambio operativo | Costo de energía |
| Bomba de velocidad-variable | Mantiene el flujo mínimo | Actualización de bomba | Moderado |
| Periodo de ciclo más largo | Menor amplitud de tensión | cambio de control | Bajo |
| Menor densidad de vatios | Temperatura superficial más baja | Diseño de calentador | Moderado |
| vaina más gruesa | Más masa térmica | Diseño de calentador | Moderado |
Medidas de prevención del agrietamiento por choque térmico.
Cuando el agrietamiento por choque térmico indica un problema de diseño
Un calentador que desarrolla grietas por choque térmico a pesar del funcionamiento continuo de la bomba indica que el diseño del calentador o la disposición del tanque están creando estrés térmico localizado. Una configuración personalizada del calentador de inmersión de PTFE con menor densidad de vatios, una funda más gruesa y una posición de flujo-optimizada aborda la causa raíz del choque térmico. El proceso de especificación requiere el programa de funcionamiento de la bomba, la velocidad del flujo en el calentador, la química del baño y la potencia requerida. Para instalaciones con circulación intermitente, este enfoque específico-de aplicación reduce el agrietamiento por choque térmico y extiende la vida útil del calentador.
