Jaki jest wpływ powtarzającego się czyszczenia ultradźwiękowego na twardość powierzchni grzejnika PFA w ciągu 1 roku?

Pęcherzyki kawitacyjne powstają w wyniku czyszczenia ultradźwiękowego o częstotliwości 20 kHz, co jest powszechne w przypadku zbiorników przemysłowych. Pęcherzyki te pękają blisko powierzchni PFA. Twardość powierzchni grzejnika PFA wzrasta o 10–20 jednostek Shore’a D (z 65–68 do 75–85) po roku codziennych 15-minutowych cykli (w sumie 91 godzin). Przyczynami tego utwardzania są miejscowa obróbka na zimno, mikropęknięcia i sieciowanie- powstałe w wyniku powtarzających się uderzeń kawitacji. Kiedy warstwa wierzchnia pęka, wydłużenie maleje z 300% do 50–100%, powodując kruchość powierzchni. Niemniej jednak utwardzanie ogranicza się do zewnętrznych 50–150 µm ścianki PFA o grubości 2 mm. Materiał jest nadal plastyczny w masie. Jeżeli na powierzchni nie powstają pęknięcia przelotowe, grzejnik może bezawaryjnie wytrzymać codzienne 15-minutowe czyszczenie ultradźwiękowe przez cały rok. Jednakże cykle cieplne mogą spowodować pękanie kruchej powierzchni po dwóch do trzech latach. W przypadku ważnych usług należy używać tytanowej osłony lub ograniczyć narażenie na działanie ultradźwięków do mniej niż pięciu minut dziennie.

Proces hartowania kawitacyjnego
Pęcherzyki kawitacyjne zapadają się przy częstotliwości 20 kHz przez mikrosekundy w temperaturach od 2000 do 5000 stopni i pod ciśnieniem od 100 do 1000 barów. Powierzchnia PFA jest odkształcana plastycznie przez falę uderzeniową, co powoduje powstawanie mikro-pustek i przemieszczeń. Twardość zwiększa się w wyniku orientacji i usieciowania-łańcuchów polimeru blisko powierzchni. Powierzchnia najpierw staje się gładsza (usuwają się szczyty), ale w miarę powstawania-wgłębień staje się bardziej szorstka. Choć procedura jest bardziej silna, można ją porównać do śrutowania. PFA staje się kruchy w przeciwieństwie do metali poddawanych naprężeniom ściskającym.

Głębokość hartowania jest określana przez d_hard=0.5 × (częstotliwość)^(-0,5) × (moc)^0,3. Po 100 godzinach d_hard ≈ 80–150 µm przy 20 kHz i 100 W/L. Stanowi to zaledwie 5-7% grubości ścianki o grubości 2 mm, dzięki czemu grzejnik jest nadal mocny konstrukcyjnie.

Twardość powierzchni a ekspozycja na ultradźwięki (woda 25 stopni, 20 kHz, 100 W/L)
Całkowita ekspozycja (godziny) Cykl dzienny (15 minut każdego dnia) Stan powierzchni Rozszerzenie przy pęknięciu (warstwa powierzchniowa) Równoważne dni Twardość powierzchni (Shore D) Wzrost twardości
0 0 0 66 0 błyszczące, gładkie 300%
40 dni 68–70 + 2-4 Lekko matowy 250–280% 10–15 minut dziennie
Matowe, drobne wżery 200–250% 50 15 min/dzień 200 dni 73–78 25 15 min/dzień 100 dni 70–74 +4–8+7–12 Matowe, widoczne wżery 150–200% 75~15 min/dzień 300 dni 76–82 +10–16 Szorstkie, mikropęknięcia 100–150% 100~15 min/dzień 400 dni 78–85 +12–19 Pęknięta powierzchnia 50–100% 150~15 min/dzień 600 dni 80–88 +14–22 Pęknięta, pudrowanie<50%
25 (50 kHz) 15 minut dziennie 100 dni 85–90 + 19–24 Silne wżery<30% (worse at higher frequencies)
Kawitacja jest bardziej szkodliwa przy 50 kHz (patrz artykuł #13). Grzejników PFA nie należy stosować w myjkach ultradźwiękowych o częstotliwościach wyższych niż 40 kHz.

Wpływ na wydajność grzejników
Utwardzenie powierzchni nie powoduje natychmiastowej awarii, nawet po roku (91 godzin ekspozycji). Ogrzewanie nadal działa. Ale:

Zwiększony współczynnik penetracji: Mniejsza odporność na przenikanie substancji chemicznych ze względu na mikropęknięcia warstwy powierzchniowej. Po roku czyszczenia ultradźwiękowego współczynnik penetracji 30% HCl w temperaturze 80 stopni jest dwa do trzech razy wyższy niż w przypadku nienaświetlonego grzejnika.

Zwiększona przyczepność kamienia: Kamień i biofilmy są zatrzymywane na nierównej powierzchni, co wymaga częstszego czyszczenia.

Spada odporność na szok termiczny: szybkie chłodzenie powoduje, że krucha powierzchnia łatwiej pęka.

Jeden rok codziennych 15-minutowych cykli jest odpowiedni dla grzejnika pracującego w czystym środowisku o niskiej zawartości środków chemicznych (czyszczenie ultradźwiękowe szkła laboratoryjnego). Pękanie naprężeniowe jest przyspieszane w przypadku grzejników pracujących w agresywnych warunkach chemicznych, gdy łączy się hartowanie ultradźwiękowe i atak chemiczny.

Ograniczanie usług ultradźwiękowych
Jeśli grzejniki PFA wymagają czyszczenia ultradźwiękowego:

Ogranicz ekspozycję do nie więcej niż pięciu minut każdego dnia. Twardość wzrosła o 4–8 jednostek po roku, co jest akceptowalne.

Zastosuj osłonę: Energia kawitacji jest pochłaniana przez perforowaną osłonę z tytanu lub stali nierdzewnej umieszczoną w odległości od trzech do pięciu milimetrów od PFA. PFA nie nosi tarczy.

Zmniejsz moc ultradźwiękową ze 100 W/l do 30 W/l, aby uzyskać niższą gęstość mocy. 50–70% mniejsza twardość przy 30 W/l.

Użyj grubszego PFA, ponieważ ścianka o grubości 3 mm zapewnia większą objętość materiału i spowalnia penetrację pęknięć powierzchniowych do metalowego rdzenia.

Przykład w terenie
Sondy grzewcze PFA czyszczono codziennie przez 30 minut przy użyciu myjki ultradźwiękowej 20 kHz w laboratorium półprzewodników. Po osiemnastu miesiącach powierzchnie grzewcze stały się sypkie i szorstkie. Jedna grzałka uległa awarii z powodu pęknięcia przewodu cieczy. W miejscu grzejników laboratorium zainstalowało tytanową osłonę (grubość 1 mm, 40% powierzchni otwartej). Po 24 miesiącach na nowych grzejnikach nie stwierdzono utwardzenia powierzchniowego. Co 12 miesięcy osłona była wymieniana, co kosztowało 100 dolarów. Cena 100 dolarów). Uniknięto wymiany pieca za 2000 dolarów ze względu na 100 dolarów rocznie.

Podsumowując, po roku codziennego, 15-minutowego czyszczenia twardnieje o 10–20 Shore D.
Twardość powierzchni grzejnika PFA zwiększa się o 10–20 jednostek Shore’a D, z 65–68 do 75–85, po wielokrotnym czyszczeniu ultradźwiękowym przy 20 kHz (15 minut dziennie) przez rok. PFA w masie jest nadal plastyczny, ale utwardzona powierzchnia staje się krucha i mogą pojawić się mikropęknięcia. W przypadku łagodnych chemikaliów grzejnik może wytrzymać rok bez awarii, chociaż przyczepność kamienia i przenikanie pogarszają się. Obniż moc ultradźwięków, dodaj tytanową osłonę lub ogranicz ekspozycję do pięciu minut każdego dnia, aby zapewnić dłuższą żywotność. Uszkodzenia są poważne przy 50 kHz; nigdy nie używaj. Oprócz czyszczenia czyszczenie ultradźwiękowe powoduje szkody. Ogranicz czas kąpieli grzejnika lub chroń go. Powierzchnia może ulec uszkodzeniu, stwardnieć i pęknąć. Trzymaj go w bezpiecznym miejscu lub wymieniaj częściej. Twoja decyzja.