Πώς ο συντελεστής θερμικής διαστολής του PTFE επηρεάζει την τοποθέτηση και τη στήριξη του θερμαντήρα;

Όταν ένας θερμαντήρας εμβάπτισης PTFE θερμαίνεται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος σε θερμοκρασία λειτουργίας, το μήκος του αυξάνεται σημαντικά. Εάν ο θερμαντήρας κρατιέται σταθερά και στα δύο άκρα, αυτή η διαστολή προκαλεί μεγάλη εσωτερική πίεση. Αυτή η κίνηση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στη σωστή τοποθέτηση του θερμαντήρα και είναι ένα ζωτικό χαρακτηριστικό που συχνά αγνοείται στα βιομηχανικά συστήματα.

Συντελεστής θερμικής διαστολής PTFE
Ο συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE) μετρά πόσο ένα υλικό θα διαστέλλεται ή θα συστέλλεται για κάθε βαθμό μεταβολής της θερμοκρασίας. Το PTFE έχει σχετικά υψηλό CTE-περίπου 120 × 10-6 ανά βαθμό Κελσίου (120 ppm ανά βαθμό ). Συγκριτικά, ο ανοξείδωτος χάλυβας (304 και 316) έχει CTE περίπου 17 * 10^ -6/C. Έτσι, το PTFE θα διαστέλλεται περίπου 7 φορές περισσότερο από το ατσάλι για την ίδια αύξηση της θερμοκρασίας.

Το πρακτικό αποτέλεσμα είναι υπέροχο. Ένας θερμαντήρας PTFE μήκους 1 μέτρου που θερμαίνεται από θερμοκρασία δωματίου 20 μοιρών σε τυπική θερμοκρασία λειτουργίας 100 βαθμών διαστέλλεται κατά περίπου:

ΔL=L 0 × CTE × ΔT=1.0 m × 120×10 −6 / μοίρα × 80 μοίρες=0.0096 m ≈ 9,6 mm

Για ένα άκαμπτα προσαρτημένο εξάρτημα, μια αλλαγή κατά προσέγγιση 10 mm ανά μέτρο μήκους είναι πολύ σημαντική. Για μεγαλύτερες θερμάστρες, μήκους 3 ή 4 μέτρων, η συνολική διαστολή μπορεί να φτάσει τα 30–40 mm.

Συντελεστής θερμικής διαστολής υλικού (×10-6/ μοίρα ) σε 20-100 μοίρες Διαστολή ανά μέτρο ανά 80 μοίρες Αύξηση PTFE 120 – 130 ≈9,6 – 10,4 mm
PFA 120 – 140 ≈9,6 – 11,2 mm
Ανοξείδωτο ατσάλι (304/316) 16 – 18 ≈1,3 – 1,4 mm
Τιτάνιο (Βαθμός 2) 8 – 9 ≈0,6 – 0,7 mm
Το PFA είναι ένα άλλο φθοροπολυμερές που έχει παρόμοιο υψηλό συντελεστή διαστολής. Ορισμένοι εξειδικευμένοι μεταλλικοί θερμαντήρες χρησιμοποιούν τιτάνιο, το οποίο διαστέλλεται ακόμη λιγότερο από τον ανοξείδωτο χάλυβα. Η διαφορά μεταξύ PTFE και οποιουδήποτε υλικού μεταλλικού περιβλήματος ή εσωτερικού μεταλλικού πυρήνα είναι εκπληκτική.

Το πρόβλημα της τοποθέτησης που προκαλείται από την υψηλή επέκταση του PTFE
Γενικά, ένας θερμαντήρας εμβάπτισης PTFE ενσωματώνει ένα εσωτερικό μεταλλικό σύρμα ή πυρήνα αντίστασης. Ο μεταλλικός πυρήνας διαστέλλεται με ρυθμό περίπου ένα-έβδομο εκείνου της περιβάλλουσας θήκης PTFE. Όταν ο θερμαντήρας θερμαίνεται, το PTFE θέλει να επεκταθεί σημαντικά περισσότερο από τον μεταλλικό πυρήνα μέσα του. Αυτή η διαφορική διαστολή προκαλεί εσωτερικές διατμητικές καταπονήσεις στη διεπαφή μεταξύ PTFE και μετάλλου.

Εάν ο θερμαντήρας είναι επίσης εξωτερικά περιορισμένος (με σκληρούς σφιγκτήρες, βραχίονες ή φλάντζες και στα δύο άκρα), η θήκη PTFE δεν μπορεί να διασταλεί ελεύθερα στην αξονική κατεύθυνση. Η μηχανική τάση που δημιουργείται οδηγεί σε έναν αριθμό τρόπων αστοχίας:

Ο λυγισμός ή η υπόκλιση - Η θήκη PTFE είναι πιο μαλακή από το μέταλλο και ως εκ τούτου τείνει να λυγίζει προς τα έξω στη μέση, δημιουργώντας ένα καμπύλο ή κυματιστό σχήμα που μπορεί να χτυπήσει τους τοίχους της δεξαμενής ή άλλους θερμαντήρες.

Ρωγμές σε θέσεις συγκέντρωσης τάσεων - Οι άκαμπτοι σφιγκτήρες ή οι αιχμηρές ακμές στήριξης αυξάνουν την πίεση. Το PTFE διαστέλλεται και ωθείται σε αυτά τα σταθερά σημεία, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν σχηματισμό ρωγμών και εξάπλωση σε όλο το περίβλημα.

Τραβήξτε-μακριά από τον εσωτερικό μεταλλικό πυρήνα - Η διαφορική διαστολή του PTFE και του μεταλλικού πυρήνα, μαζί με εξωτερικούς περιορισμούς, μπορεί να προκαλέσει το PTFE να απομακρυνθεί από τις μεταλλικές απολήξεις ή να απομακρυνθεί από τον πυρήνα, εκθέτοντας το σύρμα αντίστασης σε διαβρωτικά υγρά διεργασίας.

Ένα συνηθισμένο λάθος στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι να αντιμετωπίζεται ένας θερμαντήρας PTFE όπως ένας μεταλλικός θερμαντήρας, δηλ. στερεώνοντάς τον με πολλά στερεά στηρίγματα κατά μήκος του ή σφίγγοντάς τον τόσο στο επάνω όσο και στο κάτω άκρο. Αυτού του είδους οι τακτικές είναι σχεδόν εγγυημένο ότι θα αποτύχουν νωρίς.

Πρακτικές κατευθυντήριες οδηγίες για την εγκατάσταση θερμαντικών διαστολών PTFE
Η βασική προϋπόθεση για την τοποθέτηση θερμαντικών διαστολών PTFE είναι να επιτρέπεται στον θερμαντήρα να διαστέλλεται και να συστέλλεται ελεύθερα σε μήκος, αλλά να παραμένει στη θέση που προορίζεται στη δεξαμενή ή το δοχείο. Οι προτεινόμενες τεχνικές περιλαμβάνουν:

Τοποθέτηση μόνο στο ένα άκρο.
Ο θερμαντήρας πρέπει να τοποθετείται άκαμπτα σε ένα μόνο σημείο - συχνά στο άκρο του ακροδέκτη (το ψυχρό άκρο όπου γίνονται οι ηλεκτρικές συνδέσεις). Από την άλλη πλευρά, το θερμαινόμενο μήκος θα πρέπει να είναι εντελώς ελεύθερο να ολισθαίνει ή να κινείται. Δεν πρέπει να τοποθετούνται επιπλέον σφιγκτήρες, βραχίονες ή οδηγοί σε όλο το μήκος του σωλήνα PTFE.

Εξασφαλίστε αξονική κίνηση πάνω από-τους-Πλάινους βραχίονες
Εάν χρησιμοποιείται πάνω από-το-πλευρικό στήριγμα στήριξης, το στήριγμα δεν πρέπει να σφίγγει άκαμπτα τη θήκη PTFE. Αντίθετα, θα πρέπει να δημιουργηθεί ένας χαλαρός{3}}οδηγός προσαρμογής ή μια διάταξη με σχισμή που να συγκρατεί τη θερμάστρα κατακόρυφα αλλά να επιτρέπει στο PTFE να ταξιδεύει αξονικά μέσω του βραχίονα καθώς η θερμοκρασία ποικίλλει. Μπορείτε να ξεκινήσετε με ένα διάκενο περίπου 2-3 ​​mm μεταξύ της θήκης και της οπής του βραχίονα.

Αποφύγετε τις πολύ άκαμπτες διαμορφώσεις L και U
Μερικές φορές χρησιμοποιούνται θερμαντήρες σε σχήμα L (με οριζόντιο και κάθετο σκέλος) για ορισμένα σχέδια δεξαμενών. Εάν τα δύο πόδια, οριζόντια και κατακόρυφα, είναι στερεωμένα με ασφάλεια στα άκρα τους, η επέκταση του ενός ποδιού λειτουργεί ενάντια στο άλλο και η γωνία υπόκειται σε σημαντικές καταπονήσεις κάμψης. Στην πραγματικότητα, ο θερμαντήρας PTFE σε σχήμα L θα πρέπει να σχεδιάζεται με το ένα πόδι ελεύθερο να κινείται ή η γωνία πρέπει να έχει μια εύκαμπτη μετάβαση (π.χ. κάμψη μεγαλύτερης ακτίνας) για να απορροφά τη διαφορική διαστολή.

Ελεύθερος χώρος για επέκταση
Ένας θερμαντήρας 1-μέτρων που διαστέλλεται κατά 10 mm χρειάζεται τουλάχιστον 10 mm κενό χώρο στο ελεύθερο άκρο του. Για έναν θερμαντήρα που είναι κρεμασμένος κάθετα, αυτό σημαίνει ότι το κάτω μέρος του θερμαντήρα δεν πρέπει να αγγίζει το κάτω μέρος της δεξαμενής ή οτιδήποτε μέσα στη δεξαμενή. Συνιστάται μια απόσταση 20-30 mm για να αντισταθμιστούν οι κατασκευαστικές ανοχές και πιθανές υπερθερμοκρασίες.

Χρησιμοποιήστε εύκαμπτα καλώδια αντί για άκαμπτο αγωγό που είναι προσαρτημένο στο περίβλημα
Τα καλώδια από το τερματικό άκρο της ηλεκτρικής παροχής πρέπει να είναι αρκετά εύκαμπτα ώστε να επιτρέπουν τη μέτρια κίνηση του συγκροτήματος ακροδεκτών καθώς ο θερμαντήρας διαστέλλεται και συστέλλεται. Ο άκαμπτος μεταλλικός αγωγός, όταν συνδέεται απευθείας με το περίβλημα των ακροδεκτών, μπορεί να μεταδώσει δυνάμεις κίνησης στο σημείο σύνδεσης, γεγονός που μπορεί να βλάψει τους ακροδέκτες.

Τι συμβαίνει όταν η επέκταση είναι περιορισμένη;
Η εμπειρία στο πεδίο δείχνει ότι η περιορισμένη θερμική διαστολή είναι μία από τις κύριες αιτίες βλάβης του θερμαντήρα PTFE μετά από ηλεκτρική υπερφόρτωση. Τα κοινά σημάδια αποτυχίας περιλαμβάνουν:

Λυγισμός θήκης - Οπτική επιθεώρηση με φιδοειδή ή κυματιστό σχήμα.

Διαμήκεις ρωγμές - Ρωγμές παράλληλες προς τον άξονα του θερμαντήρα, που συνήθως ξεκινούν κοντά στους σφιγκτήρες στερέωσης.

Διαχωρισμός άκρου ακροδεκτών - Το περίβλημα PTFE γλιστρά μακριά από την ένωση τερματικού δοχείου εκθέτοντας το σύρμα αντίστασης ή αφήνοντας έναν αγωγό για τη διείσδυση του υγρού.

Θραύση εσωτερικού καλωδίου - Οι κύκλοι διαστολής και συστολής, όταν συγκρατούνται, καταπονούν το σύρμα εσωτερικής αντίστασης στο σημείο εισόδου στη θήκη PTFE.

Το υλικό στερέωσης δεν πρέπει να συμπιέζει ακτινικά το περίβλημα PTFE. Το PTFE σέρνεται υπό συνεχή θλιπτική πίεση. Ένας σφιγκτήρας σωλήνα ή ένας σφιγκτήρας σωλήνα που σφίγγεται γύρω από το PTFE θα χαλαρώσει τελικά καθώς το κρύο υλικό-ρέει μακριά από τον σφιγκτήρα και η ανομοιόμορφη πίεση μπορεί να προκαλέσει σπάσιμο.

Συμπέρασμα: Οι καλές πρακτικές εγκατάστασης είναι εξίσου σημαντικές με την ποιότητα του θερμαντήρα
Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του PTFE είναι περίπου επτά φορές αυτός του ανοξείδωτου χάλυβα. Ένας θερμαντήρας PTFE μήκους 1-m θα εκτείνεται περίπου 10 mm όταν θερμαίνεται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος στους 100 βαθμούς . Εάν αυτή η διαστολή είναι περιορισμένη, οι μηχανικές καταπονήσεις που αναπτύσσονται οδηγούν σε λυγισμό, θραύση ή αστοχία απομάκρυνσης της θήκης PTFE.

Η σωστή σύνδεση του θερμαντήρα θερμικής διαστολής PTFE απαιτεί ένα μόνο σταθερό σημείο, συνήθως στο άκρο του ακροδέκτη, με το υπόλοιπο του θερμαντήρα ελεύθερο να κινείται αξονικά. Η ολίσθηση πρέπει να επιτρέπεται σε-πάνω από-πλευρικές αγκύλες. Οι ρυθμίσεις σε σχήμα L δεν πρέπει να έχουν δύο περιορισμούς. και θα πρέπει να υπάρχει αρκετός χώρος στο ελεύθερο άκρο. Αυτές οι τεχνικές σχεδιασμού δεν είναι προαιρετικές βελτιώσεις, αλλά κρίσιμες για μεγάλη διάρκεια ζωής. Η ποιότητα του θερμαντήρα είναι ζωτικής σημασίας, αλλά και οι καλές διαδικασίες εγκατάστασης. Όταν οι μηχανικές επιδράσεις της θερμικής διαστολής αντιμετωπίζονται σωστά, οι θερμαντήρες εμβάπτισης PTFE παρέχουν την πλήρη χημική αντίσταση και τα οφέλη ηλεκτρικής μόνωσης χωρίς συμβιβασμούς.