Aký je vplyv opakovaného ultrazvukového čistenia na povrchovú tvrdosť ohrievača PFA počas 1 roka?

Kavitačné bubliny vznikajú ultrazvukovým čistením pri 20 kHz, čo je bežné pre priemyselné nádrže. Tieto bubliny prasknú blízko povrchu PFA. Tvrdosť povrchu ohrievača PFA stúpne o 10 – 20 jednotiek Shore D (z 65 – 68 na 75 – 85) po roku denných 15-minútových cyklov (spolu 91 hodín). Príčinou tohto tvrdnutia sú lokalizované opracovanie za studena, mikrotrhlinky a{23}}krížové prepojenia z opakovaných kavitačných nárazov. Keď sa povrchová vrstva zlomí, predĺženie sa zníži z 300 % na 50–100 %, čím sa povrch stáva krehkým. Napriek tomu je vytvrdzovanie obmedzené na vonkajších 50–150 µm steny PFA s hrúbkou 2 mm. Materiál je stále ťažný vo veľkom. Ak sa na povrchu nevytvoria trhliny, ohrievač vydrží každodenné 15-minútové čistenie ultrazvukom po celý rok bez zlyhania. Cyklovanie tepla však môže spôsobiť, že skrehnutý povrch po dvoch až troch rokoch praskne. Pri dôležitých službách použite titánový štít alebo obmedzte pôsobenie ultrazvuku na menej ako päť minút denne.

Proces kavitačného kalenia
Kavitačné bubliny kolabujú pri 20 kHz počas mikrosekúnd pri teplotách medzi 2 000 a 5 000 stupňami a tlakoch medzi 100 a 1 000 barov. Povrch PFA je plasticky deformovaný rázovou vlnou, čo má za následok mikro-dutiny a dislokácie. Tvrdosť sa zvyšuje orientáciou a{11}}zosieťovaním polymérnych reťazcov blízko povrchu. Povrch sa najskôr vyhladí (vrcholy sa odstránia), ale ako sa vytvoria mikro{13}}jamky, zdrsnia sa. Aj keď je tento postup silnejší, je porovnateľný s brokovaním. PFA sa stáva krehkým, na rozdiel od kovov, ktoré sú vystavené tlakovému namáhaniu.

Hĺbka kalenia je určená d_hard=0.5 × (frekvencia)^(-0,5) × (výkon)^0,3. Po 100 hodinách je d_hard ≈ 80–150 µm pri 20 kHz a 100 W/L. To je len 5-7% hrúbky steny 2 mm, preto je ohrievač stále konštrukčne pevný.

Tvrdosť povrchu vs. vystavenie ultrazvuku (25 stupňov voda, 20 kHz, 100 W/L)
Celková expozícia (hodiny) Denný cyklus (15 minút každý deň) Predĺženie stavu povrchu pri zlome (povrchová vrstva) Ekvivalent dní Tvrdosť povrchu (Shore D) Zvýšenie tvrdosti
0 0 0 66 0 lesklý, hladký 300 %
40 dní 68–70 + 2-4 Mierne matný 250–280 % 10–15 minút každý deň
Matné, jemné jamky 200–250 % 50 15 min/deň 200 dní 73–78 25 15 min/deň 100 dní 70–74 +4–8+7–12 Matné, viditeľné jamky 150–200 % 75–15 min/deň 300 dní, drsnosť 171}–{101} 100–150 % 100–15 min/deň 400 dní 78–85 +12–19 Popraskaný povrch 50–100 % 150~15 min/deň 600 dní 80–88 +14–22 Popraskaný, práškovanie<50%
25 (50 kHz) 15 minút denne 100 dní 85–90 + 19–24 Silná tvorba jamiek<30% (worse at higher frequencies)
Kavitácia je škodlivejšia pri 50 kHz (pozri článok č. 13). Ohrievače PFA by sa nemali používať v ultrazvukových čističkách s frekvenciami vyššími ako 40 kHz.

Vplyv na výkon ohrievačov
Povrchové spevnenie nevedie k poruche ihneď, dokonca ani po roku (91 hodín pôsobenia). Kúrenie stále funguje. ale:

Zvýšená miera penetrácie: Vďaka mikrotrhlinovej povrchovej vrstve je menšia odolnosť voči prenikaniu chemikálií. Po roku ultrazvukového čistenia je miera penetrácie 30% HCl pri 80 stupňoch dvakrát až trikrát vyššia ako u neexponovaného ohrievača.

Zvýšená priľnavosť vodného kameňa: Vodný kameň a biofilmy sa zachytávajú na nerovnom povrchu, čo si vyžaduje častejšie čistenie.

Odolnosť voči tepelným šokom klesá: Rýchle ochladenie spôsobuje, že krehký povrch sa ľahšie zlomí.

Jeden rok denných 15{1}minútových cyklov je vhodný pre ohrievač v čistom prostredí s nízkym obsahom chemikálií (ultrazvukové čistenie laboratórneho skla). Prasknutie napätím sa urýchľuje pre ohrievač v agresívnom chemickom režime, keď sa kombinuje ultrazvukové vytvrdzovanie a chemické pôsobenie.

Zmiernenie ultrazvukovej služby
Ak je potrebné ohrievače PFA vyčistiť ultrazvukom:

Obmedzte expozíciu na nie viac ako päť minút každý deň. Tvrdosť sa po roku zvýšila o 4–8 jednotiek, čo je prijateľné.

Použite štít: Kavitačná energia je absorbovaná perforovaným titánovým alebo nerezovým štítom umiestneným tri až päť milimetrov od PFA. PFA nenosí štít.

Znížte výkon ultrazvuku zo 100 W/L na 30 W/L, aby ste dosiahli nižšiu hustotu výkonu. 50 – pri 30 W/L sa pridá o 70 % menšia tvrdosť.

Použite hrubšie PFA, pretože 3 mm stena ponúka väčší objemový materiál a spomaľuje prenikanie povrchových trhlín do kovového jadra.

Príklad v poli
Ohrievacie sondy PFA boli čistené každý deň počas 30 minút pomocou 20 kHz ultrazvukového čističa v polovodičovom laboratóriu. Vyhrievacie plochy sa po osemnástich mesiacoch rozprášili a boli drsné. Jeden ohrievač zlyhal v dôsledku praskliny v kvapalinovom potrubí. Laboratórium nainštalovalo namiesto ohrievačov titánový štít (hrúbka 1 mm, 40 % otvorená plocha). Po 24 mesiacoch nedošlo na nových ohrievačoch k žiadnemu vytvrdnutiu povrchu. Každých 12 mesiacov sa štít vymieňal za cenu 100 USD. Cena 100 USD. 2 000 USD na výmenu pece sa vyhlo kvôli 100 USD ročne.

Na záver, po roku každodenného 15-minútového čistenia stvrdne o 10–20 Shore D.
Tvrdosť povrchu ohrievača PFA sa zvýši o 10–20 jednotiek Shore D, zo 65–68 na 75–85, po opakovanom čistení ultrazvukom pri 20 kHz (15 minút denne) počas jedného roka. Objemová PFA je stále ťažná, ale vytvrdený povrch sa stáva krehkým a môžu na ňom vzniknúť mikrotrhlinky. V miernych chemikáliách môže ohrievač vydržať rok bez toho, aby sa pokazil, aj keď sa priľnavosť vodného kameňa a priepustnosť zhoršujú. Znížte výkon ultrazvuku, pridajte titánový štít alebo obmedzte expozíciu na päť minút každý deň pre dlhšiu životnosť. Poškodenie je vážne pri 50 kHz; nikdy nepoužívajte. Okrem čistenia spôsobuje poškodenie ultrazvukové čistenie. Obmedzte trvanie kúpeľa ohrievača alebo ho chráňte. Povrch môže zlyhať, stvrdnúť a prasknúť. Udržujte ho v bezpečí alebo ho vymieňajte častejšie. Tvoje rozhodnutie.