Perlumbaan Berbasikal Terma
Proses kimia bergantian antara pemanasan hingga 95 darjah dan penyejukan kepada 25 darjah setiap 30 minit, 24 jam sehari, 7 hari seminggu. Dalam satu tahun, penukar haba menanggung 17,520 kitaran haba penuh. Hayat perkhidmatan melebihi 5-tahun, 87,600 kitaran. Ini bukan proses sekali-sekala kecewa-ia adalah irama operasi biasa.
Dua bahan dipertimbangkan untuk penukar haba: silikon karbida dan PTFE. Silikon karbida menawarkan kekonduksian terma yang tinggi dan rintangan kimia yang sangat baik. PTFE menawarkan kekonduksian yang lebih rendah tetapi fleksibiliti yang tiada tandingan. Pemilihan bergantung pada bahan yang bertahan 87,600 kitaran haba tanpa retak, bocor atau kehilangan integriti struktur.
Fizik Tekanan Terma
Tegasan terma timbul daripada pengembangan terma yang terhad. Apabila bahan dipanaskan, ia mengembang. Jika pengembangan dihadkan-oleh pelekap tegar, oleh kecerunan suhu dalam bahan, atau oleh lekatan pada bahan dengan pekali pengembangan yang berbeza-tegasan berkembang. Magnitud tegasan haba adalah berkadar dengan produk modulus elastik, pekali pengembangan haba, dan perubahan suhu: σ=E × × ΔT.
Silikon karbida mempunyai modulus elastik kira-kira 400 GPa dan pekali pengembangan haba 4.0 × 10⁻⁶/ darjah . Untuk ayunan suhu 70 darjah, tegasan terma dalam komponen SiC terkekang sepenuhnya menghampiri 112 MPa-hampir dengan kekuatan lentur bahan sebanyak 350-450 MPa untuk SiC tersinter dan 250-300 MPa untuk SiC terikat tindak balas. Kepekatan tegasan kecil daripada kecacatan permukaan, tanda pemesinan, atau titik pelekap boleh mencetuskan keretakan.
PTFE mempunyai modulus elastik kira-kira 0.5 GPa dan pekali pengembangan haba 120 × 10⁻⁶/ darjah . Untuk ayunan 70 darjah yang sama, tegasan terma dalam komponen PTFE yang dikekang adalah lebih kurang 4.2 MPa-jauh di bawah kekuatan hasil bahan. PTFE menampung pengembangan haba melalui ubah bentuk anjal dan bukannya mengumpul tekanan ke arah ambang patah.
Jadual 1: Perbandingan Ketahanan Berbasikal Terma
| Parameter | Silikon Karbida | PTFE |
|---|---|---|
| Modulus anjal (GPa) | 400 | 0.5 |
| Pekali pengembangan terma (10⁻⁶/ darjah ) | 4.0 | 120 |
| Tegasan terma untuk 70 darjah ΔT (MPa) | 112 (terkandas sepenuhnya) | 4.2 (terkandas sepenuhnya) |
| Nisbah tegasan haba kepada kekuatan bahan | 0.25-0.45 | < 0.2 |
| Mod kegagalan di bawah kitaran haba | Patah rapuh daripada penyebaran retakan | Ubah bentuk rayapan (mulur) |
| Mekanisme permulaan retak | Pada kecacatan permukaan; statistik | Tidak berkenaan (ubah bentuk tanpa retak) |
| Kitaran kepada kegagalan (70 darjah ΔT) | 10³-10⁶ (kebarangkalian; bergantung kepada kecacatan) | >10⁷ pada tahap tekanan perkhidmatan |
| Had keletihan | Tiada yang ditakrifkan dengan jelas | Had ketahanan pada ketegangan di bawah 2% |
| Kesan kekerapan kitaran | Peningkatan kecerunan haba pada kadar yang lebih tinggi | Minimum; kadar tindak balas viskoelastik-bergantung |
| Kebolehramalan hayat perkhidmatan | Rendah (bergantung-kecacatan) | Tinggi (kadar rayapan boleh diramal) |
Perbezaan Penyebaran Retak
Apabila retakan bermula dalam silikon karbida di bawah kitaran haba, ia merambat melalui bahan dengan setiap kitaran. Tiada ubah bentuk plastik pada hujung retak untuk menyerap tenaga dan perambatan perlahan. Retakan berkembang secara beransur-ansur sehingga keratan-yang selebihnya tidak lagi dapat menampung beban dan keretakan bencana berlaku.
PTFE tidak retak di bawah kitaran haba pada tahap tekanan perkhidmatan biasa. Bahan berubah bentuk secara viskelastik-rantaian polimer menggelongsor dan menyusun semula untuk menampung terikan. Pada ketegangan yang sangat tinggi atau selepas bilangan kitaran yang sangat besar, lompang mikro-mungkin terbentuk dan bergabung, yang membawa kepada kehilangan sifat mekanikal secara beransur-ansur. Ini adalah proses degradasi mulur, bukan proses patah rapuh.
Perbezaan praktikal adalah kebolehramalan. Penukar karbida silikon boleh gagal secara tiba-tiba tanpa amaran yang boleh diukur, kerana retakan yang menyebabkan kegagalan mungkin tidak dapat dilihat oleh pemeriksaan sehingga peringkat akhir pembiakan. Penukar PTFE merosot secara beransur-ansur, dengan penipisan dinding yang boleh diukur dan perubahan dimensi yang dapat dijejaki oleh pemeriksaan berjadual.
Pampasan Pemindahan Haba
Kekonduksian terma silikon karbida sebanyak 120-200 W/m·K memberikan kelebihan pemindahan haba yang ketara berbanding 0.25 W/m·K PTFE. Penukar SiC adalah lebih padat-satu pertimbangan penting dalam aplikasi terhad ruang.
PTFE mengimbangi melalui-tiub dinding nipis dan luas permukaan yang bertambah. Jejak yang lebih besar ialah pertukaran-untuk imuniti berbasikal haba. Dalam aplikasi di mana ruang tersedia dan kebolehpercayaan berbasikal adalah yang terpenting, PTFE ialah-pilihan risiko yang lebih rendah.
Ringkasan
Penukar haba PTFE mempamerkan daya tahan kitaran haba yang jauh lebih besar daripada silikon karbida kerana modulus keanjalan rendah PTFE mengekalkan tegasan-teraruh terma jauh di bawah had kekuatan bahan dan mekanisme ubah bentuk viskoelastiknya menghalang permulaan retak. Silikon karbida, yang rapuh, mengumpul kerosakan pada kecacatan permukaan dan boleh gagal secara tiba-tiba selepas bilangan kitaran yang tidak dapat diramalkan.
Kelebihan ketahanan berbasikal haba PTFE diterjemahkan kepada hayat perkhidmatan yang boleh diramal, penyelenggaraan berjadual dan penghapusan masa henti berkaitan keretakan secara tiba-tiba-. Jejak penukar haba yang lebih besar yang diperlukan oleh PTFE ialah pertukaran-untuk kebolehpercayaan ini.
Analisis kejuruteraan untuk pemilihan bahan perkhidmatan berbasikal terma tersedia selepas penyerahan julat suhu, kekerapan kitaran, hayat perkhidmatan yang diperlukan, ruang pemasangan yang tersedia dan spesifikasi tugas haba.
