Hver eru hagnýt neðri mörkin fyrir PFA slíðurþykkt til að þola skyndilega kuldaslökkvun frá 150 gráður til 20 gráður?

Aðstæður í uppnámi í rafhúðunarlínum, hálfleiðurum blautum bekkjum og efnakljúfskerfum verða stundum fyrir hraðri köldklökkun í PFA hjúpuðum dýfingshitara – óviljandi innstreymi köldu vökva sem dregur úr hitastigi baðsins úr notkunarstigi (venjulega 130-150 gráður fyrir mörg sýruböð) í umhverfis (20 gráður) á sekúndum. Þessi atburðarás af hitaáfalli setur verulega álag á PFA slíður. Þar sem ytra yfirborð fjölliðunnar mætir kalda vökvanum kólnar það strax, en innra yfirborðið helst heitt vegna málmhitunarkjarna. Hitastiglinn í gegnum þykkt slíðunnar veldur togálagi á köldu (ytra) yfirborðinu og þrýstiálagi á upphitaða (innra) yfirborðið. Ef togálagið fer yfir styrk fjölliðunnar við hitastig kalda yfirborðsins, breiðist sprungan utan frá og inn. Fyrir sama kælihraða hafa þynnri PFA slíður brattari hitahalla þar sem fjarlægðin sem hitinn lækkar frá innra til ytra yfirborðs er minni. Það er þversagnakennt að mjög þunnt slíður gæti lifað af slíðrun betur en meðalþykkt slíðra vegna þess að það kólnar jafnt og getur ekki staðið undir miklum halla. Hagnýt neðri þykktarmörk eru ákvörðuð af samkeppnisáhrifum hallabratts og algerrar streitustærðar, þar sem tilraunaniðurstöður staðfesta örugga vinnuhjúpinn.

Þróun hitastigs við tafarlausa slokknun
Taktu PFA slíður við stöðugt hitastig 150 gráður. Hitaranum er fljótt sökkt í 20 gráðu vökva með sterkum varmaflutningsstuðli (h=1.000–3.000 W/m2·K, dæmigert gildi fyrir ókyrrð vatn eða þynnta sýru). Ytra yfirborðshiti lækkar í næstum vökvaástand á 0,1-0,3 sekúndum. Upphafshitastig innra yfirborðsins er 150 gráður þar sem fjölliðan er ekki fær um að leiða strax hita sem kemur frá málmkjarnanum. Hitastigli er stilltur yfir þykkt slíðrunnar með því að nota einvíddar varmaleiðnijöfnu með-varmaleiðingarjöfnu með sveifluskilmálum. Hámarks hitaspenna σ varma á ytra yfirborði rétt eftir slökkvun er gefin út af σ hitauppstreymi=E ΔT 1 − v þar sem E er togstuðull PFA við meðalhita , er línulegi stuðullinn fyrir varmaþenslu (110–120 ppm/gráðu ), PFAisson, ν, PFAisson, og PFAisson hlutfall. ΔT er hitamunurinn yfir þykkt slíðunnar. Fyrir tiltekinn kælihraða og vökva skalast ΔT yfir slíðrið með þykkt. Þykkari slíður mun framleiða meiri innri-til ytri hitamun þar sem það tekur lengri tíma fyrir hita að flytjast í gegnum vegginn.

Með 0,5 mm þykku slíðri er innra yfirborðshitastigið lækkað í 80 gráður innan 0,5 sekúndna frá slökuninni og gegnum-þykktin $\\Delta T$ er að hámarki um 60 gráður (innra við 80 gráður, ytra við 20 gráður). Fyrir slíðurþykkt 2,0 mm er innra yfirborðið 130 gráður eftir 0,5 sekúndur sem gefur ΔT 110 gráður. Hitaspennan er metin sem: 0,5 mm slíður: σ=600 MPa * 0,00011 * 60 / (1 - 0.45)=~7,2 MPa; 2,0 mm slíður: σ=600 MPa * 0,00011 * 110 / (1 - 0.45)=~13,2 MPa; Þykkara slíðurinn framleiðir um það bil tvöfalt hitaálag, þar sem stærri $\\Delta T$ ræður yfir lengri rásinni fyrir varmaleiðni. Þessi greining gefur til kynna að þynnri slíður séu í raun ónæmari fyrir slökkvi en þykkari, nema slíðurinn sé svo þunnur að hún geti ekki staðið undir þrýstingi eða vélrænni meðhöndlun.

Bilunarstillingar í þunnum á móti þykkum slíðrum undir slökkva
Tilraunaslökkvunarprófanir á PFA umluktum hitara með þykkt 0,3 mm til 3,0 mm sýna þrjár aðskildar bilunaráætlanir. Í mjög þunnu léninu (0,3–0,6 mm) er aðalbilunaraðferðin vélrænt hrun frá ytri þrýstingi en ekki sprungur í hitaspennu. Á meðan á slökkvi stendur kólnar PFA og minnkar. Ef það eru smásæ eyður eða veikir staðir í slíðrinu, skapar samdrátturinn lofttæmi á milli PFA og málmkjarna og þunn fjölliðan hrynur inn á við gegn kjarnanum. Hrunið kemur fram sem hringlaga gárur eða hrukkur á yfirborði slíðunnar. Hrukkurnar eru ekki tafarlausar rafmagnsbilanir, en þær þola aukið staðbundið álag í röð upphitunarlota og brotna venjulega eftir 10-50 frekari hitalotur. Hitaálag er ekki raunhæf neðri mörk slökkviþols; það er hæfileiki slíðunnar til að halda sívalningsformi sínu undir þrýstiálaginu sem myndast við hraða kælingu.

Í slökkviprófun sést besti lifunarhlutfallið á meðalþykktarbilinu (0,7–1,2 mm). Slíðrið er nógu þykkt til að koma í veg fyrir hrun (stífleiki hringsins vex með teningnum af þykkt) en nógu þunn til að gegnum-þykkt \\Delta T er hófleg (60–80 gráður). Hámarkshitaspenna í þessu kerfi er á bilinu 7-10 MPa, vel undir stofuhita togstyrk PFA (25-30 MPa). 1,0 mm PFA rör sem verður fyrir 1.000 slokknunum í röð frá 150 gráður til 20 gráður sýnir ekkert augljóst brot og varðveitir 90–95% af upprunalegum togeiginleikum sínum. Þetta mikla hitaálag (12-18 MPa) í þykku kerfinu (1,5-3,0 mm) er hærra en styrkur slökktu efnisins á köldu yfirborðinu. Ytra yfirborðið, kælt í 20 gráður , sýnir minni lenging við brot (venjulega 150–200 % á móti . 300 % við umhverfishita) og minni brotseigni. 5 í 50 slökkvilotur koma af stað sprungum á ytra yfirborði og fara inn á við. Brotformið er greining á hitaáfalli: margar samhliða sprungur sem ná áslega meðfram hitaranum, með 2–5 mm millibili og komast í gegnum 30–70% af veggþykkt. Þessar sprungur þurfa ekki að valda tafarlausum leka vegna þess að ósprungið PFA sem eftir er heldur áfram að innsigla, en þær virka sem álagsþéttar sem flýta fyrir bilun í eðlilegri notkun.

Áhrif kælihraða og fljótandi miðils á þykktarmörk
Hagnýt neðri mörk þykktar eru ákvörðuð af alvarleika slökkvunarinnar, sem hefur áhrif á hitadreifingu vökvans og varmaflutningsstuðullinn. Fljótlegasta kælingin og brattasti varmahallinn er framleiddur af vatni og þynntum sýrum (h=1,500-3.000 W/m2.K). Lífræn leysiefni (h=300–800 W/m2·K) kólna hægar og minnkar gegnumþykkt ΔT um 30–50% fyrir sömu slíðurþykkt. Með slíðri sem er minna en 0,6 mm getur hlífin fallið saman við vatnsslökkvun, en fyrir slökkviefni með lífrænum leysi getur 0,4 mm verið ásættanlegt. Loftkæling (h=10-50 W/m2K) veldur minniháttar hitaálagi, jafnvel fyrir 3,0 mm slíður, þar sem hæg kæling gerir kleift að jafna hitastig yfir vegginn. Mörkin eru einnig skilgreind af vökvahitanum. Slökkva frá 150 gráður til 20 gráður er hitastigslækkun um 130 gráður. Með því að draga úr alvarleika slökunar úr 120 gráðum í 20 gráður (100 gráðu fall) minnkar hámarks hitauppstreymi í 2,0 mm slíðri úr 13,2 MPa í um það bil 9,5 MPa, sem fellur inn í hóflegt áhættusvið. Á hinn bóginn, fyrir ΔT=160 gráðu, slokknun frá 180 gráðu til 20 gráður, mun jafnvel 0,8 mm slíður vera hverfandi, þar sem ΔT þvert yfir þunnan vegginn er enn 80–90 gráður, sem veldur spennu upp á 10–12 MPa með aukinni hættu á hruni.

For-slökkvandi ástand PFA efnisins breytir einnig þykktarmörkunum. Óstressaða jómfrúin PFA þolir álagið sem spáð var fyrir um. Hins vegar, hitaaldrað PFA (meira en 1.000 klukkustundir við 150 gráður) sýnir minnkaða mólmassa og minni lengingu við brot. Ferskt PFA með 1,2 mm þykkt lifði af 200+ lotum, en aldrað PFA í 1,2 mm jakka sýndi sprunguupphaf eftir 20 slökkvilotur. Þess vegna ætti að auka neðri mörk þykktar fyrir slökkviþol um 0,2–0,3 mm fyrir ofna með meira en 5000 notkunartíma. Á sama hátt getur PFA, sem er fyrir sterkum oxandi sýrum (þétt brennisteins- eða saltpéturssýra) myndað yfirborðs örsprungur, sem dregur úr skilvirkri þykkt. Fyrir 1,0 mm slíður sem verður fyrir 500 klst. í 96% H2SO4 við 120 gráður er slökkvihegðun svipuð og 0,7 mm fersk slíður, þar sem skemmda ytra lagið brotnar fyrst og breiðist út í það sem eftir er af óbreyttu efninu.

Lágmarksöryggisþykkt fyrir slökkviþolnar forrit
Lágmarks þykkt PFA slíður sem mælt er með í meðfylgjandi töflu er fyrir aðstæður þar sem hægt er að slökkva hratt frá vinnsluhita til 20 gráður. Gildi vísa til fersks (óþroskaðs) PFA-efnis án fyrri efnafræðilegrar niðurbrots og varmaflutningsstuðuls sem er dæmigerður fyrir nefndan vökva. Fyrir notkun með fyrirhugaða slokknun > 50 sinnum á ári, bætið 0,2 mm við lágmarksþykkt.

Maximum Operating Temperature Quench Liquid Medium Minimum Safe PFA Thickness (Fresh Material) Expected Survival After 100 Quenches Failure Mode Below Minimum 130°C Water or dilute acid (pH 3–9) 0.6 mm >95% survival; no apparent breaking Sheath collapse (wrinkling) down 0.5 mm 140°C Water or dilute acid 0.7 mm >90% lifun; minniháttar yfirborðssprunga mögulegt Samsett hrun og örsprunga 150 gráður Vatn eða þynnt sýra 0,8 mm 85–95% lifun; axial sprungur sjaldgæfar (<5%) Collapse below 0.6 mm; thermal cracking below 0.7 mm 160°C Water or dilute acid 1.0 mm 80–90% survival; acceptable for <100 quenchesAxial cracks >1,5 mm (yfir-spenna)
150oC 1.2 mm Concentrated acid (60-96% H2SO4) 60-80% survivability; check after each quenchCombine chemical degradation + thermal stress 150°C Organic solvent (isopropanol, acetone) 0.5 mm >95% lifun Leysir getur bólgnað PFA og dregið úr hrunþol