Thermal kerékpárverseny
Egy kémiai folyamat felváltva történik a 95 fokos felfűtés és a 25 fokos hűtés között 30 percenként, napi 24 órában, heti 7 napon. Egy év alatt a hőcserélő 17 520 teljes termikus ciklust bír ki. Több mint 5-éves élettartam, 87 600 ciklus. Ez nem egy alkalmi folyamat felborulása, hanem a normál működési ritmus.
A hőcserélőnek két anyagot kell figyelembe venni: szilícium-karbidot és PTFE-t. A szilícium-karbid magas hővezető képességgel és kiváló vegyszerállósággal rendelkezik. A PTFE alacsonyabb vezetőképességet, de páratlan rugalmasságot kínál. A kiválasztás attól függ, hogy melyik anyag képes túlélni 87 600 hőciklust anélkül, hogy repedne, szivárogna vagy elveszítené szerkezeti integritását.
A termikus stressz fizika
A hőfeszültség a korlátozott hőtágulásból ered. Amikor egy anyag felmelegszik, kitágul. Ha a tágulást korlátozza-merev rögzítés, az anyagon belüli hőmérsékleti gradiensek, vagy a különböző tágulási együtthatójú anyagokhoz való rögzítés,-feszültség alakul ki. A hőfeszültség nagysága arányos a rugalmassági modulus, a hőtágulási együttható és a hőmérsékletváltozás szorzatával: σ=E × × ΔT.
A szilícium-karbid rugalmassági modulusa hozzávetőleg 400 GPa, hőtágulási együtthatója pedig 4,0 × 10⁻⁶/fok. 70 fokos hőmérséklet-ingadozás esetén a hőfeszültség egy teljesen korlátozott SiC komponensben megközelíti a 112 MPa- értéket, ami közel van az anyag 350-450 MPa-os hajlítószilárdságához szinterezett SiC és 250-300 MPa reakcióval kötött SiC esetében. Felületi hibából, megmunkálási nyomból vagy rögzítési pontból származó kis feszültségkoncentráció repedést okozhat.
A PTFE rugalmassági modulusa hozzávetőleg 0,5 GPa és hőtágulási együtthatója 120 × 10⁻⁶/fok. Ugyanazon 70 fokos kilengés esetén a hőfeszültség egy korlátozott PTFE komponensben körülbelül 4,2 MPa- jóval az anyag folyáshatára alatt van. A PTFE rugalmas deformáció révén alkalmazkodik a hőtáguláshoz, nem pedig a törési küszöb felé halmozódó feszültséget.
1. táblázat: Termikus kerékpározás állóképesség-összehasonlítása
| Paraméter | Szilícium-karbid | PTFE |
|---|---|---|
| Rugalmassági modulus (GPa) | 400 | 0.5 |
| Hőtágulási együttható (10⁻⁶/fok) | 4.0 | 120 |
| Hőfeszültség 70 fokos ΔT (MPa) esetén | 112 (teljesen korlátozva) | 4.2 (teljesen korlátozott) |
| A hőfeszültség és az anyagszilárdság aránya | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| Hibaüzem termikus ciklus alatt | Törékeny törés a repedés terjedése miatt | Kúszó deformáció (képlékeny) |
| Repedést kiváltó mechanizmus | Felületi hibáknál; statisztikai | Nem alkalmazható (repedés nélkül deformálódik) |
| Ciklusok a meghibásodásig (70 fok ΔT) | 10³-10⁶ (valószínűségi; hibafüggő) | >10⁷ a szolgáltatási stressz szintjén |
| Fáradtsági határ | Egyik sem egyértelműen meghatározott | Kitartási határ 2% alatti igénybevételnél |
| A ciklus gyakoriságának hatása | Megnövelt termikus gradiens magasabb sebességgel | Minimális; viszkoelasztikus válaszarány-függő |
| Az élettartam kiszámíthatósága | Alacsony (hiba{0}}függő) | Magas (megjósolható kúszási sebesség) |
A repedés terjedésének különbsége
Amikor repedés keletkezik a szilícium-karbidban hőciklus alatt, az minden ciklussal átterjed az anyagon. A repedés csúcsánál nincs képlékeny deformáció, amely elnyeli az energiát és lassítja a terjedést. A repedés fokozatosan növekszik, amíg a fennmaradó keresztmetszet-már nem bírja a terhelést, és katasztrofális törés következik be.
A PTFE nem reped meg a termikus ciklus alatt normál üzemi feszültségszinten. Az anyag viszkoelasztikusan deformálódik,{1}}a polimer láncok elcsúsznak és átrendeződnek, hogy alkalmazkodjanak a feszültséghez. Nagyon nagy igénybevételnél vagy nagyon sok ciklus után mikro-üregek képződhetnek és összeolvadhatnak, ami a mechanikai tulajdonságok fokozatos elvesztéséhez vezet. Ez képlékeny lebomlási folyamat, nem rideg törési folyamat.
A gyakorlati különbség a kiszámíthatóság. A szilícium-karbid hőcserélő hirtelen meghibásodhat, mérhető figyelmeztetés nélkül, mert a meghibásodást okozó repedés a terjedés végső szakaszáig az ellenőrzés során láthatatlan lehet. A PTFE hőcserélő fokozatosan lebomlik, mérhető falvékonyodás és méretváltozás, amelyet az ütemezett ellenőrzések nyomon követhetnek.
Hőátviteli kompenzáció
A szilícium-karbid 120-200 W/m·K hővezető képessége jelentős hőátadási előnyt biztosít a PTFE 0,25 W/m·K értékéhez képest. A SiC hőcserélő kompaktabb-fontos szempont a szűkös helyű alkalmazásokban.
A PTFE a vékony{0}}falú csövekkel és a megnövelt felülettel kompenzál. A nagyobb lábnyom a termikus kerékpározás elleni védelem-kiváltása. Azokban az alkalmazásokban, ahol rendelkezésre áll hely, és a kerékpározás megbízhatósága a legfontosabb, a PTFE az alacsonyabb-kockázatú választás.
Összegzés
A PTFE hőcserélők sokkal nagyobb hőciklus-állóságot mutatnak, mint a szilícium-karbid, mivel a PTFE alacsony rugalmassági modulusa jóval az anyagszilárdság határértéke alatt tartja a termikusan{0}}indukált feszültséget, viszkoelasztikus deformációs mechanizmusa pedig megakadályozza a repedés kialakulását. A szilícium-karbid, mivel törékeny, sérüléseket halmoz fel a felületi hibáknál, és hirtelen meghibásodhat, előre nem látható számú ciklus után.
A PTFE hőciklus-tűrési előnye kiszámítható élettartamot, ütemezett karbantartást és a hirtelen töréssel kapcsolatos{0}}leállások kiküszöbölését jelenti. A PTFE által megkövetelt nagyobb hőcserélő helyigény az kompromisszum-ez a megbízhatóság.
Mérnöki elemzés a hőciklus-szolgáltatás anyagának kiválasztásához a hőmérséklet-tartomány, a ciklus gyakorisága, a szükséges élettartam, a rendelkezésre álló beépítési hely és a hőterhelési előírások benyújtása után érhető el.
