Σε θερμοκρασία δωματίου, το PTFE είναι ένα σκληρό, ανθεκτικό πλαστικό. Αλλά καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι μηχανικές του ιδιότητες αλλάζουν σημαντικά. Η κατανόηση αυτών των αλλαγών είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των θερμαντήρων εμβάπτισης PTFE με ασφάλεια και εντός του σχεδιαστικού τους φακέλου. Το περίβλημα ενός θερμαντήρα PTFE δεν παρέχει απλώς χημική αντίσταση-πρέπει επίσης να αντέχει την πίεση του περιβάλλοντος υγρού, να αντιστέκεται στην παραμόρφωση με την πάροδο του χρόνου και να διατηρεί το σχήμα του. Όλες αυτές οι μηχανικές λειτουργίες υποβαθμίζονται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. ΟΕφέ θερμοκρασίας μηχανικής αντοχής PTFEΩς εκ τούτου, είναι ένα κρίσιμο ζήτημα για οποιονδήποτε καθορίζει, εγκαθιστά ή χειρίζεται θερμαντήρες εμβάπτισης από PTFE.
Πώς η θερμοκρασία αλλάζει τη μοριακή δομή του PTFE
Το PTFE είναι ένα ημι-κρυσταλλικό πολυμερές. Σε θερμοκρασία δωματίου, οι μοριακές αλυσίδες του είναι σφιχτά συσκευασμένες σε κρυσταλλικές περιοχές διάσπαρτες με άμορφες (διαταραγμένες) ζώνες. Αυτή η δομή δίνει στο PTFE τη χαρακτηριστική του αντοχή, χαμηλή τριβή και χημική αδράνεια. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι μοριακές δονήσεις αυξάνονται και οι άμορφες περιοχές αρχίζουν να μαλακώνουν πριν λιώσουν οι κρυσταλλικές περιοχές.
Το όριο συνεχούς χρήσης για PTFE στην υπηρεσία θέρμανσης εμβάπτισης είναι ευρέως αποδεκτό ως110 μοίρες. Αυτό το όριο δεν είναι αυθαίρετο. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, τρεις διακριτές μηχανικές αλλαγές επιταχύνονται γρήγορα:
Μειωμένη αντοχή σε εφελκυσμό– Η δύναμη που απαιτείται για το τέντωμα ή το σκίσιμο της θήκης PTFE μειώνεται σημαντικά.
Αυξημένο ερπυσμό– Υπό σταθερό φορτίο (όπως πίεση υγρού ή εσωτερική πίεση από το καλώδιο αντίστασης), το PTFE παραμορφώνεται αργά με την πάροδο του χρόνου.
Χαμηλότερη αντίσταση πίεσης– Το περίβλημα γίνεται πιο ευαίσθητο σε κατάρρευση ή μπαλόνι υπό διαφορική πίεση.
Παρατηρείται ότι ενώ το PTFE δεν λιώνει μέχρι τους 327 βαθμούς, η μηχανική του χρησιμότητα τελειώνει πολύ κάτω από αυτό το σημείο. Για εφαρμογές θερμαντήρα εμβάπτισης, οι 110 μοίρες αντιπροσωπεύουν το πρακτικό άνω όριο για συνεχή λειτουργία.
Μείωση αντοχής σε εφελκυσμό με άνοδο της θερμοκρασίας
Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό ενώ τεντώνεται πριν σπάσει. Για το PTFE, αυτή η ιδιότητα μειώνεται σταθερά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει κατά προσέγγιση τιμές με βάση τις τυπικές μεθόδους δοκιμής (ASTM D638).
| Θερμοκρασία (βαθμός) | Θερμοκρασία (βαθμός F) | Κατά προσέγγιση αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) | Κατά προσέγγιση αντοχή σε εφελκυσμό (psi) | Ποσοστό της τιμής θερμοκρασίας 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 αντιπροσωπευτικές. Η πραγματική αντοχή σε εφελκυσμό εξαρτάται από την ποιότητα PTFE, την κρυσταλλικότητα και τις συνθήκες δοκιμής.
Στις 100 μοίρες, η αντοχή σε εφελκυσμό του PTFE είναι περίπου η μισή τιμή της στις 23 μοίρες. Στους 110 βαθμούς , πέφτει στο 40% περίπου της τιμής της θερμοκρασίας του δωματίου-. Αυτή η δραματική μείωση σημαίνει ότι οποιαδήποτε μηχανική καταπόνηση-είτε από πίεση υγρού, θερμική διαστολή ή χειρισμό-είναι πολύ πιο πιθανό να προκαλέσει ζημιά σε υψηλές θερμοκρασίες.
ερπυσμός και παραμόρφωση υπό φορτίο
Ένας βασικός περιορισμός του PTFE σε υψηλές θερμοκρασίες είναι η ευαισθησία του στον ερπυσμό. Ο ερπυσμός είναι η χρονικά-εξαρτώμενη παραμόρφωση ενός υλικού υπό σταθερό φορτίο. Σε αντίθεση με τα μέταλλα, τα οποία παρουσιάζουν ελάχιστο ερπυσμό κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο, το PTFE σέρνεται σε οποιαδήποτε θερμοκρασία πάνω από το περιβάλλον. Ο ρυθμός ερπυσμού αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία.
Για μια θήκη θερμαντήρα PTFE, τα σχετικά φορτία περιλαμβάνουν:
Εξωτερική πίεση υγρού– Σε βαθιές δεξαμενές, η υδροστατική πίεση μπορεί να φτάσει τα 0,1 bar ανά μέτρο βάθους. Στα 2-3 μέτρα, αυτή η πίεση είναι μέτρια, αλλά σε συνδυασμό με αυξημένη θερμοκρασία, μπορεί να προκαλέσει αργή κατάρρευση ή λακκάκι του περιβλήματος.
Εσωτερικές τάσεις από το σύρμα αντίστασης– Το μεταλλικό θερμαντικό στοιχείο είναι ενσωματωμένο στο PTFE. Οι διαφορές στη θερμική διαστολή μεταξύ μετάλλου και PTFE δημιουργούν εσωτερικές τάσεις. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το PTFE ανακουφίζει από αυτές τις τάσεις μέσω ερπυσμού, το οποίο μπορεί να αλλάξει τη γεωμετρία της θήκης.
Δυνάμεις σύσφιξης ή τοποθέτησης– Οποιαδήποτε μηχανική συγκράτηση που εφαρμόζεται στη θερμάστρα (π.χ. βραχίονες, φλάντζες ή στηρίγματα) δημιουργεί τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων. Ο ερπυσμός μπορεί να προκαλέσει τη ροή του PTFE από σημεία υψηλής-πίεσης, οδηγώντας σε χαλάρωση ή αστοχία στεγανοποίησης.
Στην πράξη, ο ερπυσμός είναι σπάνια καταστροφικός βραχυπρόθεσμα. Ένας θερμαντήρας που λειτουργεί στους 105 βαθμούς μπορεί να μην παρουσιάζει ορατή παραμόρφωση για μήνες ή και χρόνια. Ωστόσο, με την πάροδο του χρόνου, ο ερπυσμός μπορεί να προκαλέσει το λεπτότερο περίβλημα σε ορισμένες περιοχές, μειώνοντας τη διηλεκτρική αντοχή και τη μηχανική προστασία. Πιο κρίσιμο, ο ερπυσμός στη διεπαφή μεταξύ της θήκης PTFE και της τσιμούχας ακροδεκτών μπορεί να ανοίξει μια διαδρομή για την είσοδο υγρασίας ή διαβρωτικών ατμών στο θερμαντήρα.
Αντίσταση στην πίεση και κίνδυνος κατάρρευσης ή αερόστατου
Οι θήκες θερμαντήρα PTFE δεν είναι δοχεία πίεσης. Είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν σε ή κοντά στην ατμοσφαιρική πίεση τόσο στο εσωτερικό όσο και στο εξωτερικό. Η εσωτερική κοιλότητα που περιέχει το σύρμα αντίστασης δεν είναι υπό πίεση. γεμίζεται με PTFE ή αέρα υπό πίεση περιβάλλοντος. Ωστόσο, υπάρχουν δύο τρόποι αστοχίας που σχετίζονται με την πίεση-:
Κατάρρευση εξωτερικής πίεσης– Εάν η εξωτερική πίεση του υγρού υπερβεί την εσωτερική πίεση κατά ένα επαρκές περιθώριο, το περίβλημα μπορεί να καταρρεύσει προς τα μέσα. Αυτό είναι πιο πιθανό σε υψηλές θερμοκρασίες επειδή το μέτρο ελαστικότητας (ακαμψία) του PTFE μειώνεται. Η κατάρρευση συνήθως θεωρείται ως ένα πεπλατυσμένο ή με λακκάκια τμήμα της θήκης.
Μπαλόνι εσωτερικής πίεσης– Εάν η εσωτερική κοιλότητα συμπιεστεί λόγω της παγιδευμένης διαστολής ή εκροής αερίου, το ζεστό, μαλακωμένο PTFE μπορεί να εκτοξευθεί προς τα έξω. Αυτό είναι λιγότερο συχνό, αλλά μπορεί να συμβεί εάν η υγρασία στο εσωτερικό του θερμαντήρα μετατραπεί σε ατμό.
ΟΕφέ θερμοκρασίας μηχανικής αντοχής PTFEδιέπει άμεσα και τους δύο τρόπους αστοχίας. Στους 23 βαθμούς, το PTFE μπορεί να αντέξει μια διαφορική πίεση πολλών bar χωρίς μόνιμη παραμόρφωση. Στις 110 μοίρες, η ίδια διαφορική πίεση μπορεί να προκαλέσει άμεση κατάρρευση ή αερόστατο. Για αυτόν τον λόγο, οι θερμαντήρες PTFE δεν πρέπει ποτέ να λειτουργούν σε περιβάλλοντα υψηλής-πίεσης ή να υπόκεινται σε γρήγορες αλλαγές πίεσης.
Συνέπειες της Υπέρβασης του Συνεχούς ορίου 110 μοιρών
Οι βραχυπρόθεσμες-εκδρομές λίγο πάνω από 110 μοίρες μπορεί να γίνουν ανεκτές χωρίς άμεση αποτυχία. Ωστόσο, η επαναλαμβανόμενη ή παρατεταμένη λειτουργία πάνω από αυτό το όριο ενέχει κίνδυνο μόνιμης βλάβης. Οι παρατηρούμενες συνέπειες περιλαμβάνουν:
Αραίωση περιβλήματος και εντοπισμένα hotspots– Το ερπυσμό επιτρέπει στο PTFE να ρέει μακριά από τις πιο ζεστές περιοχές, μειώνοντας το πάχος του περιβλήματος. Οι λεπτότερες περιοχές έχουν υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, δημιουργώντας έναν βρόχο θετικής ανάδρασης που επιταχύνει την τοπική υπερθέρμανση.
Απώλεια διηλεκτρικής αντοχής– Τα λεπτά τμήματα του περιβλήματος μειώνουν το περιθώριο ηλεκτρικής μόνωσης, αυξάνοντας τον κίνδυνο βλάβης.
Μόνιμη παραμόρφωση– Όταν το PTFE έχει ερπυσθεί ή παραμορφωθεί, η ψύξη δεν αποκαθιστά το αρχικό σχήμα. Δεν είναι δυνατή η επισκευή μιας θήκης που έχει πέσει ή έχει πέσει με μπαλόνι.
Αστοχία σφράγισης– Η στεγανοποίηση ψυχρής ζώνης εξαρτάται από τη άνετη εφαρμογή μεταξύ της θήκης PTFE και του συγκροτήματος ακροδεκτών. Ο ερπυσμός μπορεί να θέσει σε κίνδυνο αυτήν την εφαρμογή, επιτρέποντας την είσοδο υγρού ή ατμού.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το όριο των 110 μοιρών ισχύει για τη θερμοκρασία του περιβλήματος PTFE, όχι απαραίτητα για τη θερμοκρασία του υγρού όγκου. Σε έναν καλοσχεδιασμένο θερμαντήρα-, η θερμοκρασία του περιβλήματος είναι ελαφρώς υψηλότερη από τη θερμοκρασία του υγρού, επειδή η θερμότητα μεταφέρεται αποτελεσματικά από το καλώδιο αντίστασης στο υγρό. Ωστόσο, εάν η πυκνότητα watt (ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας) είναι πολύ υψηλή ή εάν η στάθμη του υγρού πέσει κάτω από το θερμαινόμενο τμήμα, η θερμοκρασία του περιβλήματος μπορεί να ανέβει πολύ πάνω από τη θερμοκρασία του υγρού ακόμη και όταν το ίδιο το υγρό είναι κάτω από 110 βαθμούς.
Μείωση πυκνότητας Watt για υπηρεσία υψηλής- θερμοκρασίας
ΕπειδήΕφέ θερμοκρασίας μηχανικής αντοχής PTFEμειώνει την ικανότητα του υλικού να αντέχει την καταπόνηση, οι θερμαντήρες εμβάπτισης που προορίζονται για συντήρηση κοντά στους 110 βαθμούς πρέπει να λειτουργούν σε χαμηλότερες πυκνότητες watt από τις θερμάστρες που χρησιμοποιούνται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η πυκνότητα Watt είναι η ισχύς εξόδου ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας θέρμανσης, που τυπικά εκφράζεται σε Watt ανά τετραγωνική ίντσα (W/in²) ή Watt ανά τετραγωνικό εκατοστό (W/cm²).
Οι γενικές οδηγίες για τους θερμαντήρες εμβάπτισης PTFE είναι:
Έως 60 μοίρες (140 μοίρες F)– Πυκνότητες Watt έως 25–30 W/in² (3,9–4,7 W/cm²) είναι αποδεκτές.
60–90 μοίρες (140–194 βαθμοί F)– Οι πυκνότητες Watt θα πρέπει να μειωθούν σε 15–20 W/in² (2,3–3,1 W/cm²).
90–110 μοίρες (194–230 βαθμοί F)– Οι πυκνότητες Watt θα πρέπει να μειωθούν περαιτέρω σε 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).
Πάνω από 110 μοίρες (230 βαθμοί F)– Οι θερμαντήρες εμβάπτισης από PTFE γενικά δεν συνιστώνται για συνεχή λειτουργία.
Στην πράξη, αυτές οι τιμές πρέπει να προσαρμόζονται με βάση τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Τα ταραγμένα λουτρά με υψηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας μπορούν να ανεχθούν υψηλότερες πυκνότητες watt. Τα στάσιμα ή παχύρρευστα υγρά απαιτούν μικρότερες πυκνότητες watt. Ο στόχος είναι να διασφαλιστεί ότι η θερμοκρασία του περιβλήματος PTFE δεν υπερβαίνει ποτέ τους 110 βαθμούς σε κανένα σημείο, συμπεριλαμβανομένων των πιο καυτών σημείων κοντά στο καλώδιο εσωτερικής αντίστασης.
Έλεγχος θερμοκρασίας ως προστατευτικό μέτρο
Η τήρηση του ορίου των 110 μοιρών απαιτεί ακριβή μέτρηση θερμοκρασίας και αξιόπιστο έλεγχο. Οι θερμαντήρες εμβάπτισης πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρα θερμοκρασίας (θερμοστοιχείο ή RTD) τοποθετημένο όσο το δυνατόν πιο κοντά στο θερμαντικό στοιχείο ή εντός της θήκης PTFE. Ο ελεγκτής θα πρέπει να ρυθμιστεί με ένα μέγιστο επιτρεπόμενο όριο θερμοκρασίας και θα πρέπει να παρέχεται μια διακοπή ασφαλείας υψηλού ορίου ως εφεδρικό.
Παρατηρείται ότι πολλές πρόωρες βλάβες του θερμαντήρα PTFE δεν συμβαίνουν επειδή η θερμοκρασία ρύθμισης ήταν πολύ υψηλή, αλλά λόγω τοπικής υπερθέρμανσης. Οι παράγοντες που προκαλούν τοπική υπερθέρμανση περιλαμβάνουν:
Χαμηλή στάθμη υγρού που εκθέτει ένα τμήμα της θερμαινόμενης θήκης στον αέρα.
Καθαρισμός ή ρύπανση στην επιφάνεια του περιβλήματος μειώνοντας τη μεταφορά θερμότητας.
Κακή κυκλοφορία δημιουργώντας στάσιμες ζώνες γύρω από τη θερμάστρα.
Υψηλή πυκνότητα watt που δημιουργεί μια μεγάλη κλίση θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού σύρματος και της επιφάνειας του περιβλήματος.
Καθένας από αυτούς τους παράγοντες μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία του περιβλήματος σε επιζήμια επίπεδα ακόμα και όταν η θερμοκρασία του υγρού όγκου παραμένει κάτω από 110 βαθμούς.
Σύναψη
Η θερμοκρασία λειτουργίας επηρεάζει άμεσα τη μηχανική ακεραιότητα της θήκης PTFE. ΟΕφέ θερμοκρασίας μηχανικής αντοχής PTFEαναγκάζει το υλικό να χάσει την αντοχή σε εφελκυσμό, να γίνει πιο ευαίσθητο στον ερπυσμό και να μειώσει την αντίστασή του στην πίεση καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει 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 ώστε να προκαλούν μακροπρόθεσμη παραμόρφωση.
Το όριο των 110 μοιρών πρέπει να γίνεται σεβαστό όχι ως αφηρημένη προδιαγραφή αλλά ως μηχανική αναγκαιότητα. Η υπέρβαση αυτού του ορίου κινδυνεύει από κατάρρευση του περιβλήματος, αερόστατο, αραίωση, αστοχία στεγανοποίησης και ενδεχόμενη ηλεκτρική βλάβη. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας και η σωστή πυκνότητα watt είναι επομένως απαραίτητα για τη διατήρηση της ζωής του θερμαντήρα. Λειτουργώντας εντός του σχεδιασμένου περιβλήματος θερμοκρασίας και διασφαλίζοντας κατάλληλες συνθήκες μεταφοράς θερμότητας, η θήκη PTFE μπορεί να διατηρήσει τη μηχανική της αντοχή και να συνεχίσει να προστατεύει το εσωτερικό θερμαντικό στοιχείο για χρόνια αξιόπιστης συντήρησης.
