Kakav je učinak radne temperature na mehaničku čvrstoću PTFE plašta grijača?

PTFE je jak, izdržljiv materijal na sobnoj temperaturi. Međutim, njegova se mehanička svojstva dramatično mijenjaju kako temperatura raste. Razumijevanje ovih promjena važno je za ispravan rad PTFE uronjenih grijača unutar njihove konstrukcijske ovojnice. Plašt PTFE grijača ne pruža samo otpornost na kemikalije. Također se mora oduprijeti pritisku okolne tekućine, oduprijeti se deformaciji tijekom vremena i zadržati svoj oblik. Sve ove mehaničke funkcije pogoršavaju se s porastom temperature. Stoga je utjecaj temperature na PTFE mehaničku čvrstoću važna briga za svakoga tko specificira, instalira ili koristi PTFE uronjene grijače.

Kako temperatura utječe na molekularnu strukturu PTFE-a
PTFE je polukristalni polimer. U kristalnim dijelovima, koji su prošarani amorfnim (neuređenim) dijelovima, molekularni lanci su tijesno pakirani na sobnoj temperaturi. Ova struktura daje PTFE-u tipičnu čvrstoću, nisko trenje i kemijsku inertnost. Kako temperatura raste, molekularne vibracije se povećavaju i amorfni dijelovi počinju omekšavati prije nego što se kristalni dijelovi tope.

Općenito dogovorena maksimalna kontinuirana temperatura uporabe PTFE-a u uranjajućem grijaču je 110ºC. Ova granica nije hirovita. Na ovoj temperaturi brzo se događaju tri odvojene mehaničke transformacije:

Manja vlačna čvrstoća - Količina napora potrebna za rastezanje ili trganje PTFE omotača znatno je smanjena.

Povećano puzanje - Pod stalnim opterećenjem (npr. tlakom tekućine ili unutarnjom silom otporne žice), PTFE će se polako savijati s vremenom.

• Manja otpornost na pritisak - Plašt je skloniji kolapsu ili balonu pod diferencijalnim tlakom.

Utvrđeno je da se PTFE ne topi do 327 stupnjeva iako je njegova mehanička korisnost gotova mnogo prije toga. Za primjene uronjenog grijača moguća gornja granica za kontinuirani rad je 110 stupnjeva.

Promjena vlačne čvrstoće s temperaturom
Vlačna čvrstoća je najveće vlačno (istezanje) naprezanje koje materijal može podnijeti prije nego što se slomi. Za PTFE ova karakteristika monotono opada s temperaturom. Tablica u nastavku odnosi se na približne vrijednosti iz uobičajenih postupaka ispitivanja (ASTM D638).

Temperatura (stupnjevi) Temperatura (stupnji F) Približna vlačna čvrstoća (MPa) Približna vlačna čvrstoća psi% vrijednosti na sobnoj temperaturi.
23 73 21 – 28 3050 – 4060 100% 50 122 16 – 22 2320 – 3190 75 – 80% 80 176 12 – 16 1740 – 2320 55 – 60% 100 212 9 – 13 1305 – 1885 45 – 50% 110 230 7 – 11 1015 – 1595 35 – 45% 120 248 5 – 8 725 – 1160 25 – 30% 
Napomena: Vrijednosti su indikativne, stvarna vlačna čvrstoća ovisi o stupnju PTFE-a, kristaliničnosti i uvjetima ispitivanja.

Vlačna čvrstoća PTFE na 100 stupnjeva je otprilike upola manja od one na 23 stupnja. Na 110 stupnjeva pada na oko 40% vrijednosti temperature okoline. Značajno smanjenje mehaničkog naprezanja, bilo zbog pritiska tekućine, toplinskog širenja ili rukovanja, čini oštećenje pri visokim temperaturama daleko vjerojatnijim.

Puzanje i deformacija opterećenja
Jedan veliki nedostatak PTFE-a na visokim temperaturama je njegova sklonost puzanju. Puzanje je izobličenje tvari tijekom vremena pod stalnim opterećenjem. Dok metali imaju nižu temperaturu puzanja, PTFE će puzati na bilo kojoj temperaturi iznad temperature okoline. Brzina puzanja eksponencijalno raste s temperaturom.

Za PTFE plašt grijača primjenjiva opterećenja su:

Vanjski tlak tekućine - Hidrostatski tlak u dubokim spremnicima može iznositi čak 0,1 bar po metru dubine. Taj je pritisak minimalan na 2-3 metra, ali u kombinaciji s povišenom temperaturom može uzrokovati polagano urušavanje ili udubljenje omotača.

Unutarnje naprezanje otporne žice - Metalni grijaći element ugrađen je u PTFE. Diferencijalno toplinsko širenje metala i PTFE-a uzrokuje unutarnje napetosti. Na visokoj temperaturi PTFE ublažava ta naprezanja puzanjem koje može promijeniti oblik plašta.

Sile stezanja ili montaže - Svako mehaničko ograničenje primijenjeno na grijač (kao što su držači, prirubnice ili nosači) može uzrokovati lokalne koncentracije naprezanja. Puzanje može uzrokovati otjecanje PTFE-a od točaka visokog tlaka i uzrokovati labavljenje ili kvar brtve.

Puzanje je u praksi rijetko katastrofalno kratkoročno. Grijač na 105 stupnjeva ne može pokazati očitu distorziju mjesecima ili čak godinama. Ali puzanje tijekom vremena može dovesti do toga da omotač postane tanji na određenim mjestima, smanjujući dielektričnu čvrstoću i mehaničku zaštitu. Što je još kritičnije, puzanje na kontaktu između PTFE plašta i brtve terminala može omogućiti prolaz vlazi ili korozivnim parama da dođu do grijača.

Rizici kolapsa ili balona i otpornost na pritisak
PTFE plaštevi grijača nisu posude pod pritiskom. Dizajnirani su za rad pri ili blizu atmosferskog tlaka unutar i izvana. Unutarnja komora u kojoj se nalazi otporna žica nije pod tlakom, ispunjena je PTFE-om ili zrakom pod tlakom okoline. Dva mehanizma kvara povezana s pritiskom su sljedeća:

Kolaps vanjskog tlaka - Ako je vanjski tlak tekućine mnogo veći od unutarnjeg tlaka, omotač se može srušiti prema unutra. To je vjerojatnije pri višim temperaturama jer je modul elastičnosti (krutost) PTFE-a smanjen. Pod kolapsom se obično podrazumijeva spljošten ili udubljen dio ovojnice.

Povećanje unutarnjeg tlaka - Vrući, omekšani PTFE može se napuhati prema van ako unutarnja šupljina dođe pod tlak zbog ispuštanja plina ili ekspanzije zarobljenog plina. Manje uobičajeno, ali moguće jer se vlaga unutar grijača pretvara u paru.

Obje vrste kvarova izravno su kontrolirane temperaturnim učinkom mehaničke čvrstoće PTFE-a. PTFE može izdržati diferencijalni tlak od nekoliko bara na 23 stupnja bez trajne deformacije. Na 110 stupnjeva isti diferencijalni tlak može proizvesti trenutni kolaps ili baloniranje. Stoga se PTFE grijači ne bi trebali koristiti za aplikacije visokog tlaka ili tamo gdje može doći do brzih promjena tlaka.

Učinci prekoračenja kontinuiranog ograničenja od 110 stupnjeva
Kratki izleti do malo iznad 110 stupnjeva mogu se tolerirati bez brzog kvara. Ali ako više puta prekoračite ovu granicu ili dulje vrijeme, mogli biste uzrokovati trajnu štetu. Uočene posljedice uključuju:

Stanjivanje omotača i lokalizirane žarišne točke: Puzanje omogućuje PTFE-u da teče dalje od najtoplijih područja, stanjivajući omotač. Tanja područja imaju veću toplinsku vodljivost. Ova pozitivna povratna sprega rezultira bržim zagrijavanjem lokalnih vrućih točaka.

Gubitak dielektrične čvrstoće - Stanjeni dijelovi omotača smanjuju marginu električne izolacije i povećavaju opasnost od kvara.

Trajna deformacija - Nakon što se PTFE povuče ili iskrivi, hlađenje ga neće vratiti u izvorni oblik. Ne postoji način da se popravi srušena ili napuhana ovojnica.

Kvar brtve - Brtva u hladnoj zoni oslanja se na dobro pristajanje između PTFE plašta i sklopa terminala. Puzanje može olabaviti ovaj spoj i omogućiti ulazak tekućine ili pare.

Treba napomenuti da je granica od 110 stupnjeva za temperaturu PTFE plašta, a ne nužno za temperaturu tekućine. U ispravno izgrađenom grijaču temperatura plašta je samo malo viša od temperature tekućine zbog učinkovitog prijenosa topline s otporne žice na tekućinu. Ali s velikom gustoćom vata (snaga po jedinici površine) ili s razinom tekućine ispod grijanog dijela, temperatura omotača može znatno premašiti temperaturu tekućine, čak i kada je sama tekućina ispod 110 stupnjeva.

Visoka-temperaturna radna gustoća de-Ocjena
Mehanička čvrstoća PTFE-a ovisi-o temperaturi i to utječe na sposobnost materijala da se odupre naprezanju i iz tog razloga, uronjeni grijači namijenjeni za rad na blizu 110 stupnjeva moraju imati nižu gustoću u vatima od grijača koji se koriste na nižim temperaturama. Gustoća u vatima je izlazna snaga po površini grijaće površine i obično se izražava u vatima po kvadratnom inču (W/in 2 ) ili vatima po kvadratnom centimetru (W/cm 2 ).

Opće smjernice za PTFE uronjene grijače su:

Prihvatljive gustoće u vatima do 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) na temperaturama do 60 stupnjeva (140 stupnjeva F).

60–90 stupnjeva (140–194 stupnja F) – niske gustoće u vatima od 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90-110 stupnjeva (194-230 stupnjeva F) – Potrebno je daljnje smanjenje gustoće u vatima na 10-15 W/in² (1,6-2,3 W/cm²).

Iznad 110 stupnjeva (230 stupnjeva F) - PTFE uronjeni grijači često se ne preporučuju za dulju upotrebu.

U praksi se ove vrijednosti moraju prilagoditi za specifičnu primjenu. Veće gustoće vata mogu se tolerirati u miješanim kupkama s visokim koeficijentima prijenosa topline. Niže gustoće u vatima potrebne su za ustajale ili viskozne tekućine. Cilj je jamčiti da nigdje temperatura PTFE plašta nije viša od 110 stupnjeva, čak ni na najtoplijim mjestima u blizini unutarnje otporne žice.

Kontrola temperature kao zaštita
Za poštivanje granice od 110 stupnjeva potrebno je točno mjerenje temperature i pouzdana kontrola. Uranjajući grijači trebaju imati senzor temperature (termoelement ili RTD) što je moguće bliže grijaćem elementu ili unutar PTFE plašta. Dodajte visoko{3}}sigurnosno ograničenje kao potporu maksimalnom dopuštenom ograničenju temperature na regulatoru.

Otkriveno je da većina prijevremenih kvarova PTFE grijača nije uzrokovana previsokom zadanom temperaturom, već lokaliziranim pregrijavanjem. Čimbenici koji dovode do lokalnog pregrijavanja:

Niska razina tekućine izlaže dio zagrijanog omotača zraku.

Obustajanje na površini omotača, što dovodi do smanjenog prijenosa topline.

Loš protok zraka oko grijača dovodi do zastoja u područjima.

Visoka gustoća vata rezultira visokim temperaturnim gradijentom između unutarnje žice i površine omotača.

Svaki od ovih uvjeta može povisiti temperaturu omotača na štetne razine čak i dok je temperatura tekućine ispod 110 stupnjeva.

Zaključci
Radna temperatura izravno utječe na mehanički integritet PTFE plašta. Utjecaj temperature na mehaničku čvrstoću PTFE-a rezultira gubitkom vlačne čvrstoće, povećanjem osjetljivosti na puzanje i smanjenjem tlačne otpornosti materijala na temperaturama iznad sobne. Na granici kontinuirane upotrebe od 110 stupnjeva, PTFE zadržava samo oko 40% svoje vlačne čvrstoće na sobnoj temperaturi, a stope puzanja postaju dovoljno značajne da izazovu dugotrajnu deformaciju.

Granica od 110C nije proizvoljna brojka već mehanička granica. Prekoračenje ove granice može uzrokovati kolaps omotača, stvaranje balona, ​​stanjivanje, kvar brtvljenja i konačni električni kvar. Stoga su kontrola temperature i točna gustoća vata ključni za održavanje vijeka grijača. Kada radi unutar temperaturnog okruženja za koje je dizajniran i uz prihvatljive uvjete prijenosa topline, PTFE omotač će zadržati svoju mehaničku čvrstoću i štititi unutarnji grijaći element godinama pouzdanog rada.