Ποια είναι η επίδραση της θερμοκρασίας λειτουργίας στη μηχανική αντοχή των περιβλημάτων θερμαντήρα PTFE;

Το PTFE είναι ένα ισχυρό, ανθεκτικό υλικό σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, οι μηχανικές του ιδιότητες αλλάζουν δραματικά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Η κατανόηση αυτών των αλλαγών είναι σημαντική για τη σωστή λειτουργία των θερμαντήρων εμβάπτισης PTFE εντός του φακέλου σχεδιασμού τους. Το περίβλημα ενός θερμαντήρα PTFE δεν παρέχει απλώς χημική αντοχή. Πρέπει επίσης να αντιστέκεται στην πίεση του περιβάλλοντος υγρού, να αντιστέκεται στην παραμόρφωση με την πάροδο του χρόνου και να διατηρεί το σχήμα του. Όλες αυτές οι μηχανικές λειτουργίες επιδεινώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι, η επίδραση της θερμοκρασίας στη μηχανική αντοχή PTFE είναι μια σημαντική ανησυχία για οποιονδήποτε καθορίζει, εγκαθιστά ή χειρίζεται θερμαντήρες εμβάπτισης PTFE.

Πώς η θερμοκρασία επηρεάζει τη μοριακή δομή του PTFE
Το PTFE είναι ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές. Σε κρυσταλλικές τομές, οι οποίες είναι διάσπαρτες με άμορφα (ακατάστατα) τμήματα, οι μοριακές αλυσίδες συσκευάζονται στενά σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η δομή δίνει στο PTFE την τυπική του αντοχή, χαμηλή τριβή και χημική αδράνεια. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι μοριακές δονήσεις αυξάνονται και τα άμορφα μέρη αρχίζουν να μαλακώνουν πριν λιώσουν τα κρυσταλλικά τμήματα.

Η γενικά συμφωνημένη μέγιστη θερμοκρασία συνεχούς χρήσης του PTFE στην υπηρεσία θέρμανσης εμβάπτισης είναι 110ºC. Αυτό το όριο δεν είναι ιδιότροπο. Σε αυτή τη θερμοκρασία συμβαίνουν γρήγορα τρεις διαφορετικοί μηχανικοί μετασχηματισμοί:

Λιγότερη αντοχή σε εφελκυσμό - Η προσπάθεια που απαιτείται για να τεντωθεί ή να σκιστεί η θήκη PTFE μειώνεται σημαντικά.

Αυξημένος ερπυσμός - Κάτω από σταθερό φορτίο (π.χ. πίεση υγρού ή εσωτερική δύναμη από το καλώδιο αντίστασης), το PTFE θα κάμπτεται αργά με το χρόνο.

• Χαμηλότερη αντίσταση πίεσης - Η θήκη είναι πιο επιρρεπής σε κατάρρευση ή μπαλόνι υπό διαφορική πίεση.

Διαπιστώθηκε ότι το PTFE δεν λιώνει μέχρι τους 327 βαθμούς, αν και η μηχανική του χρησιμότητα έχει τελειώσει πολύ πριν από αυτό. Για εφαρμογές θερμαντήρα εμβάπτισης το εφικτό ανώτατο όριο για συνεχή λειτουργία είναι 110 μοίρες.

Αλλαγή στην εφελκυστική αντοχή με τη θερμοκρασία
Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι η υψηλότερη τάση εφελκυσμού (έκτασης) που μπορεί να υποστεί ένα υλικό πριν σπάσει. Για PTFE αυτό το χαρακτηριστικό μειώνεται μονοτονικά με τη θερμοκρασία. Ο παρακάτω πίνακας σχετίζεται με κατά προσέγγιση τιμές από συμβατικές διαδικασίες δοκιμών (ASTM D638).

Θερμοκρασία ( βαθμός ) Θερμοκρασία ( βαθμός F) Κατά προσέγγιση αντοχή εφελκυσμού (MPa) Κατά προσέγγιση αντοχή εφελκυσμού psi% της τιμής σε θερμοκρασία δωματίου.
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% 
Σημείωση: Οι τιμές είναι ενδεικτικές, Η πραγματική αντοχή εφελκυσμού εξαρτάται από την ποιότητα PTFE, την κρυσταλλικότητα και τις συνθήκες δοκιμής.

Η αντοχή σε εφελκυσμό του PTFE στους 100 βαθμούς είναι περίπου η μισή από αυτή στους 23 βαθμούς. Στους 110 βαθμούς πέφτει στο 40% περίπου της τιμής της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Η σημαντική μείωση της μηχανικής καταπόνησης, είτε λόγω πίεσης υγρού, θερμικής διαστολής ή χειρισμού, καθιστά πολύ πιο πιθανή τη ζημιά σε υψηλές θερμοκρασίες.

Παραμόρφωση ερπυσμού και φορτίου
Ένα σημαντικό μειονέκτημα του PTFE σε υψηλές θερμοκρασίες είναι η τάση του να έρπει. Ο ερπυσμός είναι η παραμόρφωση μιας ουσίας με την πάροδο του χρόνου υπό σταθερό φορτίο. Ενώ τα μέταλλα έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία ερπυσμού, το PTFE θα ερπυσθεί σε οποιαδήποτε θερμοκρασία πάνω από το περιβάλλον. Ο ρυθμός ερπυσμού αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία.

Για τη θήκη θερμαντήρα PTFE, τα ισχύοντα φορτία είναι:

Εξωτερική πίεση υγρού - Η υδροστατική πίεση σε βαθιές δεξαμενές μπορεί να φτάσει έως και 0,1 bar ανά μέτρο βάθος. Αυτή η πίεση είναι ελάχιστη στα 2-3 μέτρα, αλλά όταν συνδυάζεται με αυξημένη θερμοκρασία μπορεί να προκαλέσει αργή κατάρρευση ή λακκάκι της θήκης.

Εσωτερικές καταπονήσεις από το σύρμα αντίστασης - Το μεταλλικό θερμαντικό στοιχείο είναι ενσωματωμένο στο PTFE. Η διαφορική θερμική διαστολή μετάλλου και PTFE προκαλεί εσωτερικές τάσεις. Σε υψηλή θερμοκρασία, το PTFE ανακουφίζει από αυτές τις καταπονήσεις λόγω ερπυσμού που μπορεί να τροποποιήσει το σχήμα της θήκης.

Δυνάμεις σύσφιξης ή στερέωσης - Οποιαδήποτε μηχανική συγκράτηση που εφαρμόζεται στη θερμάστρα (όπως βραχίονες, φλάντζες ή στηρίγματα) μπορεί να προκαλέσει τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων. Ο ερπυσμός μπορεί να προκαλέσει τη ροή του PTFE μακριά από σημεία υψηλής πίεσης και να προκαλέσει χαλάρωση ή αστοχία στεγανοποίησης.

Ο ερπυσμός είναι σπάνια καταστροφικός βραχυπρόθεσμα στην πράξη. Ένας θερμαντήρας στους 105 βαθμούς δεν μπορεί να παρουσιάσει εμφανή παραμόρφωση για μήνες ή και χρόνια. Αλλά ο ερπυσμός με την πάροδο του χρόνου μπορεί να οδηγήσει στο να γίνει λεπτότερο το περίβλημα σε συγκεκριμένες τοποθεσίες, μειώνοντας τη διηλεκτρική αντοχή και τη μηχανική προστασία. Πιο κρίσιμο, ο ερπυσμός στην επαφή μεταξύ της θήκης PTFE και της τσιμούχας ακροδεκτών μπορεί να επιτρέψει μια δίοδο για την υγρασία ή τους διαβρωτικούς ατμούς να φτάσουν στον θερμαντήρα.

Κίνδυνοι κατάρρευσης ή μπαλονιών και αντίσταση στην πίεση
Οι θήκες θερμαντήρα PTFE δεν είναι δοχεία πίεσης. Είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν σε ή κοντά στην ατμοσφαιρική πίεση εσωτερικά και εξωτερικά. Ο εσωτερικός θάλαμος στον οποίο βρίσκεται το σύρμα αντίστασης δεν είναι υπό πίεση, είναι γεμάτος με PTFE ή αέρα υπό πίεση περιβάλλοντος. Οι δύο μηχανισμοί αστοχίας που σχετίζονται με την πίεση είναι οι εξής:

Σύμπτυξη εξωτερικής πίεσης - Εάν η εξωτερική πίεση υγρού είναι πολύ υψηλότερη από την εσωτερική πίεση, το περίβλημα μπορεί να καταρρεύσει προς τα μέσα. Αυτό είναι πιο πιθανό σε υψηλότερες θερμοκρασίες επειδή ο συντελεστής ελαστικότητας (ακαμψία) του PTFE μειώνεται. Κατάρρευση συνήθως θεωρείται ότι σημαίνει ένα πεπλατυσμένο ή λακκάκι τμήμα της θήκης.

Μπαλόνι εσωτερικής πίεσης - Το ζεστό, μαλακωμένο PTFE μπορεί να εκτοξευθεί προς τα έξω εάν η εσωτερική κοιλότητα τεθεί υπό πίεση λόγω εκτόξευσης αερίων ή παγιδευμένης διαστολής αερίου. Λιγότερο συνηθισμένο αλλά πιθανό με την υγρασία στο εσωτερικό του θερμαντήρα να μετατρέπεται σε ατμό.

Και οι δύο τύποι αστοχίας ελέγχονται άμεσα από το φαινόμενο θερμοκρασίας μηχανικής αντοχής PTFE. Το PTFE μπορεί να αντέξει μια διαφορική πίεση πολλών bar στις 23 μοίρες χωρίς μόνιμη παραμόρφωση. Στις 110 μοίρες η ίδια διαφορική πίεση μπορεί να προκαλέσει στιγμιαία κατάρρευση ή αερόστατο. Επομένως, οι θερμαντήρες PTFE δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται για εφαρμογές υψηλής πίεσης ή όπου μπορεί να συμβούν γρήγορες αλλαγές πίεσης.

Επιπτώσεις της υπέρβασης του συνεχούς ορίου των 110 μοιρών
Σύντομες εκδρομές σε λίγο πάνω από 110 βαθμούς μπορούν να γίνουν ανεκτές χωρίς γρήγορη αποτυχία. Αλλά αν υπερβαίνετε επανειλημμένα αυτό το όριο ή για μεγάλο χρονικό διάστημα, θα μπορούσατε να προκαλέσετε μόνιμη ζημιά. Οι συνέπειες που παρατηρούνται περιλαμβάνουν:

Αραίωση θηκών και εντοπισμένα σημεία πρόσβασης: Το ερπυσμό επιτρέπει στο PTFE να ρέει μακριά από τις πιο ζεστές περιοχές, λεπτύνοντας τη θήκη. Οι λεπτότερες περιοχές έχουν υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Αυτός ο βρόχος θετικής ανάδρασης έχει ως αποτέλεσμα την ταχύτερη θέρμανση των τοπικών hot spots.

Απώλεια διηλεκτρικής αντοχής - Τα αραιωμένα μέρη της θήκης μειώνουν το περιθώριο ηλεκτρικής μόνωσης και αυξάνουν τον κίνδυνο βλάβης.

Μόνιμη παραμόρφωση - Μόλις το PTFE σπαρθεί ή παραμορφωθεί, η ψύξη δεν θα το επαναφέρει στο αρχικό του σχήμα. Δεν υπάρχει τρόπος να διορθώσετε μια θήκη που έχει πέσει ή έχει φουσκώσει.

Αστοχία στεγανοποίησης - Η στεγανοποίηση στην ψυχρή ζώνη βασίζεται στην καλή εφαρμογή μεταξύ της θήκης PTFE και του συγκροτήματος ακροδεκτών. Ο ερπυσμός μπορεί να χαλαρώσει αυτή την εφαρμογή και να επιτρέψει την είσοδο υγρού ή ατμού.

Πρέπει να σημειωθεί ότι το όριο των 110 μοιρών αφορά τη θερμοκρασία του περιβλήματος PTFE, όχι απαραίτητα τη θερμοκρασία του υγρού όγκου. Σε μια σωστά κατασκευασμένη θερμάστρα η θερμοκρασία του περιβλήματος είναι ελαφρώς υψηλότερη από τη θερμοκρασία του υγρού λόγω της αποτελεσματικής μεταφοράς θερμότητας από το σύρμα αντίστασης στο υγρό. Αλλά με υψηλή πυκνότητα watt (ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας) ή με στάθμη υγρού κάτω από το θερμαινόμενο τμήμα, η θερμοκρασία του περιβλήματος μπορεί να υπερβεί τη θερμοκρασία του υγρού κατά ένα μεγάλο περιθώριο, ακόμη και όταν το ίδιο το υγρό είναι κάτω από 110 μοίρες.

Υψηλή-Πυκνότητα Watt Service θερμοκρασίας De-
Η μηχανική αντοχή του PTFE εξαρτάται από τη θερμοκρασία-και αυτό επηρεάζει την ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται στην καταπόνηση και γι' αυτόν τον λόγο, οι θερμαντήρες εμβάπτισης που προορίζονται να λειτουργούν κοντά στους 110 βαθμούς πρέπει να έχουν χαμηλότερη πυκνότητα watt από τους θερμαντήρες που χρησιμοποιούνται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η πυκνότητα Watt είναι η ισχύς εξόδου ανά περιοχή της επιφάνειας θέρμανσης και συνήθως αντιπροσωπεύεται σε Watt ανά τετραγωνική ίντσα (W/in 2) ή Watt ανά τετραγωνικό εκατοστό (W/cm 2).

Οι γενικές οδηγίες για τους θερμαντήρες εμβάπτισης PTFE είναι:

Αποδεκτές πυκνότητες watt έως 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) σε θερμοκρασίες έως 60 βαθμούς (140 βαθμοί F).

60–90 μοίρες (140-194 βαθμοί F) – Χαμηλές πυκνότητες watt 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2).

90-110 μοίρες (194–230 βαθμοί F) – Απαιτείται περαιτέρω μείωση των πυκνοτήτων watt σε 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).

Πάνω από 110 μοίρες (230 μοίρες F) - Οι θερμαντήρες εμβάπτισης PTFE συχνά δεν συνιστώνται για παρατεταμένη χρήση.

Στην πράξη, αυτές οι τιμές πρέπει να ρυθμιστούν για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Υψηλότερες πυκνότητες watt είναι ανεκτή σε αναδευόμενα λουτρά με υψηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας. Απαιτούνται χαμηλότερες πυκνότητες watt για στάσιμα ή παχύρρευστα υγρά. Ο στόχος είναι να διασφαλιστεί ότι πουθενά η θερμοκρασία της θήκης PTFE δεν είναι μεγαλύτερη από 110 μοίρες, ακόμη και στις πιο ζεστές θέσεις κοντά στο καλώδιο εσωτερικής αντίστασης.

Έλεγχος θερμοκρασίας ως προστασία
Για να τηρηθεί το όριο των 110 μοιρών, απαιτείται ακριβής μέτρηση θερμοκρασίας και αξιόπιστος έλεγχος. Οι θερμαντήρες εμβάπτισης θα πρέπει να διαθέτουν αισθητήρα θερμοκρασίας (θερμοστοιχείο ή RTD) όσο το δυνατόν πιο κοντά στο θερμαντικό στοιχείο ή μέσα στη θήκη PTFE. Προσθέστε μια διακοπή ασφαλείας υψηλού-ορίου ως εφεδρικό μέγιστο επιτρεπόμενο περιορισμό θερμοκρασίας στον ελεγκτή.

Ανακαλύφθηκε ότι η πλειονότητα των πρόωρων βλαβών του θερμαντήρα PTFE δεν προκαλείται από την υπερβολικά υψηλή θερμοκρασία ρύθμισης αλλά από τοπική υπερθέρμανση. Παράγοντες που οδηγούν σε τοπική υπερθέρμανση:

Χαμηλή στάθμη υγρού που εκθέτει μέρος της θερμαινόμενης θήκης στον αέρα.

Ρύπανση στην επιφάνεια του περιβλήματος, που οδηγεί σε μειωμένη μεταφορά θερμότητας.

Κακή ροή αέρα γύρω από τη θερμάστρα με αποτέλεσμα στάσιμες περιοχές.

Υψηλή πυκνότητα watt με αποτέλεσμα υψηλή κλίση θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού σύρματος και της επιφάνειας της θήκης.

Οποιαδήποτε από αυτές τις συνθήκες μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία του περιβλήματος σε επιβλαβή επίπεδα ακόμα και όταν η θερμοκρασία του υγρού όγκου είναι κάτω από 110 βαθμούς.

συμπεράσματα
Η θερμοκρασία λειτουργίας επηρεάζει άμεσα τη μηχανική ακεραιότητα της θήκης PTFE. Η επίδραση της θερμοκρασίας στη μηχανική αντοχή του PTFE έχει ως αποτέλεσμα απώλεια της αντοχής σε εφελκυσμό, αύξηση της ευαισθησίας στον ερπυσμό και μείωση της αντίστασης πίεσης του υλικού σε θερμοκρασίες πάνω από το περιβάλλον. Στο όριο συνεχούς λειτουργίας των 110 μοιρών, το PTFE διατηρεί μόνο το 40% περίπου της αντοχής του σε εφελκυσμό σε θερμοκρασία δωματίου και οι ρυθμοί ερπυσμού γίνονται αρκετά σημαντικοί για να προκαλέσουν μακροπρόθεσμη παραμόρφωση.

Το όριο των 110 C δεν είναι ένα αυθαίρετο νούμερο αλλά ένα μηχανικό όριο. Η υπέρβαση αυτού του ορίου μπορεί να προκαλέσει κατάρρευση του περιβλήματος, αερόστατο, αραίωση, αστοχία στεγανοποίησης και τελική ηλεκτρική βλάβη. Έτσι, ο έλεγχος της θερμοκρασίας και η σωστή πυκνότητα watt είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ζωής του θερμαντήρα. Όταν λειτουργεί εντός του περιβάλλοντος θερμοκρασίας για το οποίο σχεδιάστηκε και με αποδεκτές συνθήκες μεταφοράς θερμότητας, το περίβλημα PTFE θα διατηρήσει τη μηχανική του αντοχή και θα προστατεύσει το εσωτερικό θερμαντικό στοιχείο για χρόνια αξιόπιστης λειτουργίας.