Jaký je vliv opakovaného ultrazvukového čištění na povrchovou tvrdost ohřívače PFA po dobu 1 roku?

Kavitační bubliny vznikají ultrazvukovým čištěním při 20 kHz, což je běžné u průmyslových nádrží. Tyto bubliny praskají v blízkosti povrchu PFA. Tvrdost povrchu ohřívače PFA stoupne o 10–20 jednotek Shore D (z 65–68 na 75–85) po roce každodenních 15-minutových cyklů (celkem 91 hodin). Lokalizované tváření za studena, mikrotrhlinky a{23}}síťování z opakovaných kavitačních dopadů jsou příčinami tohoto tvrdnutí. Když se povrchová vrstva rozbije, prodloužení se sníží z 300 % na 50–100 %, čímž se povrch stane křehkým. Nicméně vytvrzování je omezeno na vnější 50–150 µm stěny PFA o tloušťce 2 mm. Materiál je stále tažný ve velkém. Pokud na povrchu nevzniknou průchozí trhliny, ohřívač vydrží každodenní 15minutové čištění ultrazvukem po celý rok, aniž by selhal. Tepelné cykly však mohou způsobit popraskání křehkého povrchu po dvou až třech letech. Pro důležité služby používejte titanový štít nebo omezte působení ultrazvuku na méně než pět minut denně.

Kavitační proces kalení
Kavitační bubliny kolabují při 20 kHz po mikrosekundy při teplotách mezi 2 000 a 5 000 stupni a tlacích mezi 100 a 1 000 bary. Povrch PFA je plasticky deformován rázovou vlnou, což má za následek mikro-dutiny a dislokace. Tvrdost se zvyšuje orientací a{11}}síťováním polymerních řetězců blízko povrchu. Povrch se nejprve vyhladí (vrcholky se odstraní), ale jak se vytvoří mikro -jamky, zdrsní se. I když je tento postup důraznější, je srovnatelný s brokováním. PFA se stává křehkým, na rozdíl od kovů, které jsou vystaveny tlakovému namáhání.

Hloubka kalení je určena jako d_hard=0.5 × (frekvence)^(-0,5) × (výkon)^0,3. Po 100 hodinách je d_hard ≈ 80–150 µm při 20 kHz a 100 W/L. To je pouze 5-7% tloušťky stěny 2 mm, proto je ohřívač stále konstrukčně pevný.

Tvrdost povrchu vs. působení ultrazvuku (25 stupňů voda, 20 kHz, 100 W/L)
Celková expozice (hodiny) Denní cyklus (15 minut každý den) Prodloužení stavu povrchu při přetržení (povrchová vrstva) Ekvivalentní dny Tvrdost povrchu (Shore D) Zvýšení tvrdosti
0 0 0 66 0 lesklé, hladké 300 %
40 dní 68–70 + 2-4 Mírně matný 250–280 % 10–15 minut každý den
Matné, jemné důlky 200–250 % 50 15 min/den 200 dní 73–78 25 15 min/den 100 dnů 70–74 +4–8+7–12 Matné, viditelné důlky 150–200 % 75~15 min/den 300 dnů R171}–{100}{101} 100–150 % 100~15 min/den 400 dní 78–85 +12–19 Popraskaný povrch 50–100 % 150~15 min/den 600 dní 80–88 +14–22 Popraskaný, pudrování<50%
25 (50 kHz) 15 minut denně 100 dní 85–90 + 19–24 Těžké pitting<30% (worse at higher frequencies)
Kavitace je škodlivější při 50 kHz (viz článek #13). Ohřívače PFA by se neměly používat v ultrazvukových čističkách s frekvencemi vyššími než 40 kHz.

Vliv na výkon ohřívačů
Vytvrzení povrchu nevede k okamžitému selhání, a to ani po roce (91 hodin expozice). Topení stále funguje. Ale:

Zvýšená rychlost penetrace: Díky mikrotrhlinové povrchové vrstvě je menší odolnost vůči chemickému pronikání. Po roce čištění ultrazvukem je míra pronikání 30% HCl při 80 stupních dvakrát až třikrát vyšší než u neexponovaného ohřívače.

Zvýšená přilnavost vodního kamene: Vodní kámen a biofilmy jsou zachyceny nerovným povrchem, což vyžaduje častější čištění.

Odolnost proti tepelným šokům klesá: Rychlé ochlazení způsobuje, že se křehký povrch snadněji láme.

Jeden rok denních 15{1}minutových cyklů je vhodný pro ohřívač v čistém prostředí s nízkým obsahem chemikálií (ultrazvukové čištění laboratorního skla). Praskání napětím je urychleno u ohřívače v agresivním chemickém provozu, když se kombinuje ultrazvukové vytvrzování a chemické působení.

Zmírnění ultrazvukových služeb
Pokud je třeba ohřívače PFA vyčistit ultrazvukem:

Omezte expozici na ne více než pět minut každý den. Tvrdost se po roce zvýšila o 4–8 jednotek, což je přijatelné.

Použijte štít: Kavitační energie je absorbována perforovaným štítem z titanu nebo nerezové oceli umístěným tři až pět milimetrů od PFA. PFA nenosí štít.

Snižte výkon ultrazvuku ze 100 W/L na 30 W/L, abyste dosáhli nižší hustoty výkonu. 50 – při 30 W/L se přidá o 70 % menší tvrdost.

Použijte silnější PFA, protože 3 mm stěna nabízí větší objemový materiál a zpomaluje pronikání povrchových trhlin do kovového jádra.

Příklad v poli
Ohřívací sondy PFA byly čištěny každý den po dobu 30 minut pomocí 20 kHz ultrazvukové čističky v polovodičové laboratoři. Topné plochy se po osmnácti měsících rozprášily a ztvrdly. Jeden ohřívač selhal z důvodu praskliny ve vedení kapaliny. Laboratoř nainstalovala místo ohřívačů titanový štít (tloušťka 1 mm, 40 % otevřené plochy). Po 24 měsících nedošlo na nových ohřívačích k žádnému povrchovému vytvrzení. Každých 12 měsíců byl štít vyměněn za cenu 100 USD. Cena 100 USD. 2 000 USD na výměnu pece se vyhnulo kvůli 100 USD ročně.

Závěrem lze říci, že po roce každodenního 15minutového čištění ztvrdne o 10–20 Shore D.
Tvrdost povrchu ohřívače PFA se zvýší o 10–20 jednotek Shore D, z 65–68 na 75–85, po opakovaném čištění ultrazvukem při 20 kHz (15 minut denně) po dobu jednoho roku. Objemová PFA je stále tažná, ale vytvrzený povrch se stává křehkým a mohou se na něm vyvinout mikrotrhliny. V mírných chemikáliích může ohřívač vydržet rok, aniž by se porouchal, i když se přilnavost vodního kamene a prostupnost zhoršují. Snižte výkon ultrazvuku, přidejte titanový štít nebo omezte expozici na pět minut každý den pro delší životnost. Poškození je vážné při 50 kHz; nikdy nepoužívejte. Kromě čištění způsobuje ultrazvukové čištění škody. Omezte dobu koupele ohřívače nebo jej chraňte. Povrch může selhat, ztvrdnout a prasknout. Udržujte jej v bezpečí nebo jej vyměňujte častěji. Vaše rozhodnutí.