Mikä on käyttölämpötilan vaikutus PTFE-lämmittimen vaippojen mekaaniseen lujuuteen?

PTFE on vahva, kestävä materiaali huoneenlämpötilassa. Sen mekaaniset ominaisuudet kuitenkin muuttuvat dramaattisesti lämpötilan noustessa. Näiden muutosten ymmärtäminen on tärkeää, jotta PTFE-sähkölämmittimiä voidaan käyttää oikein niiden suunnittelussa. PTFE-lämmittimen vaippa tekee muutakin kuin vain kemiallisen kestävyyden. Sen on myös kestettävä ympäröivän nesteen painetta, kestettävä muodonmuutoksia ajan myötä ja säilytettävä muotonsa. Kaikki nämä mekaaniset toiminnot heikkenevät lämpötilan noustessa. Näin ollen lämpötilan vaikutus PTFE:n mekaaniseen lujuuteen on tärkeä huolenaihe kaikille, jotka määrittävät, asentavat tai käyttävät PTFE-sähkölämmittimiä.

Kuinka lämpötila vaikuttaa PTFE:n molekyylirakenteeseen
PTFE on puolikiteinen polymeeri. Kiteisissä osissa, joissa on amorfisia (häiriöisiä) osia, molekyyliketjut ovat tiiviisti pakatut huoneenlämpötilassa. Tämä rakenne antaa PTFE:lle sen tyypillisen lujuuden, alhaisen kitkan ja kemiallisen inertsyyden. Lämpötilan noustessa molekyylivärähtelyt lisääntyvät ja amorfiset osat alkavat pehmetä ennen kuin kiteiset osat sulavat.

Yleisesti sovittu PTFE:n jatkuvan käytön enimmäislämpötila sähkövastuskäytössä on 110 ºC. Tämä raja ei ole oikukas. Tässä lämpötilassa tapahtuu nopeasti kolme erillistä mekaanista muutosta:

Pienempi vetolujuus - PTFE-vaipan venyttämiseen tai repeämiseen tarvittava vaiva vähenee huomattavasti.

Lisääntynyt viruminen - Jatkuvassa kuormituksessa (esim. nesteen paine tai vastuslangan sisäinen voima) PTFE taipuu hitaasti ajan myötä.

• Pienempi paineenkesto - Vaippa on herkempi romahtamiseen tai ilmapalloon paine-eron vaikutuksesta.

On havaittu, että PTFE ei sula ennen kuin 327 astetta, vaikka sen mekaaninen käyttökelpoisuus on ohi kauan ennen sitä. Sähkövastussovelluksissa jatkuvan toiminnan mahdollinen yläraja on 110 astetta.

Vetolujuuden muutos lämpötilan myötä
Vetolujuus on suurin veto- (venytys) jännitys, jonka materiaali voi kestää ennen kuin se rikkoutuu. PTFE:lle tämä ominaisuus pienenee monotonisesti lämpötilan myötä. Alla oleva taulukko liittyy likimääräisiin arvoihin tavanomaisista testimenetelmistä (ASTM D638).

Lämpötila ( aste ) Lämpötila ( aste F) Likimääräinen vetolujuus (MPa) Likimääräinen vetolujuus psi % arvosta huoneenlämpötilassa.
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% 
Huomautus: Arvot ovat suuntaa antavia. Todellinen vetolujuus riippuu PTFE-laadusta, kiteisyydestä ja testausolosuhteista.

PTFE:n vetolujuus 100 asteessa on noin puolet 23 asteen vetolujuudesta. 110 asteessa se laskee noin 40 %:iin ympäristön lämpötila-arvosta. Mekaanisen rasituksen huomattava väheneminen, joko nesteen paineesta, lämpölaajenemisesta tai käsittelystä johtuen, tekee vaurioista korkeissa lämpötiloissa paljon todennäköisempiä.

Viruminen ja kuormituksen muodonmuutos
Yksi PTFE:n suuri haitta korkeissa lämpötiloissa on sen taipumus virua. Viruminen on aineen vääristymistä ajan kuluessa jatkuvassa kuormituksessa. Vaikka metallien virumisen lämpötila on alhaisempi, PTFE viruu missä tahansa lämpötilassa ympäristön lämpötilaa korkeammaksi. Virumisnopeus kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan mukana.

PTFE-lämmittimen vaippaan sovellettavat kuormat ovat:

Ulkoinen nestepaine - Hydrostaattinen paine syvissä säiliöissä voi olla jopa 0,1 bar syvyysmetriä kohti. Tämä paine on minimaalinen 2-3 metrin kohdalla, mutta yhdistettynä korkeaan lämpötilaan se voi aiheuttaa vaipan hitaasti luhistuvan tai kuoppaan.

Vastuslangan sisäiset jännitykset - Metallinen lämmityselementti on upotettu PTFE:hen. Metallin ja PTFE:n differentiaalinen lämpölaajeneminen aiheuttaa sisäisiä jännitteitä. Korkeassa lämpötilassa PTFE lieventää näitä jännityksiä virumalla, mikä voi muuttaa vaipan muotoa.

Puristus- tai kiinnitysvoimat - Kaikki lämmittimeen kohdistetut mekaaniset rajoittimet (kuten kannattimet, laipat tai tuet) voivat aiheuttaa paikallisia jännityskeskittymiä. Viruminen voi saada PTFE:n virtaamaan pois korkeapaineisista kohdista ja aiheuttaa löystymistä tai tiivisteen rikkoutumisen.

Viruminen on käytännössä harvoin katastrofaalista lyhyellä aikavälillä. 105 asteen lämmitin ei voi osoittaa ilmeistä vääristymistä kuukausiin tai jopa vuosiin. Mutta ajan myötä viruminen voi johtaa siihen, että vaippa ohenee tietyissä paikoissa, mikä heikentää dielektristä lujuutta ja mekaanista suojausta. Vielä kriittisemmin, PTFE-vaipan ja liittimen tiivisteen välisen kosketuksen viruminen voi sallia kosteuden tai syövyttäviä höyryjä päästävän lämmittimeen.

Romahdus- tai ilmapalloriskit ja paineenkestävyys
PTFE-lämmittimen vaipat eivät ole paineastioita. Ne on suunniteltu toimimaan ilmanpaineessa tai sen lähellä sisä- ja ulkopuolelta. Sisäkammio, jossa vastuslanka sijaitsee, ei ole paineistettu, se on täytetty PTFE:llä tai ilmalla ympäristön paineessa. Paineeseen liittyvät kaksi vikamekanismia ovat seuraavat:

Ulkoinen paineen romahdus - Jos ulkoinen nestepaine on paljon suurempi kuin sisäinen paine, vaippa voi painua sisäänpäin. Tämä on todennäköisempää korkeammissa lämpötiloissa, koska PTFE:n kimmomoduuli (jäykkyys) pienenee. Puristuksella tarkoitetaan yleensä vaipan litistynyttä tai kuoppaista osaa.

Sisäinen paineilmapallo - Kuuma, pehmennyt PTFE voi ilmaantua ulospäin, jos sisäinen ontelo paineistetaan kaasun vapautumisen tai loukkuun jääneen kaasun laajenemisen vuoksi. Vähemmän yleistä, mutta mahdollista, kun lämmittimen sisällä oleva kosteus muuttuu höyryksi.

Molempia vikatyyppejä ohjaa suoraan PTFE:n mekaanisen lujuuden lämpötilavaikutus. PTFE kestää useiden baarien paine-eron 23 asteessa ilman pysyvää muodonmuutosta. 110 asteessa sama paine-ero saattaa aiheuttaa välittömän romahtamisen tai ilmapallon. Siksi PTFE-lämmittimiä ei tule käyttää korkeapainesovelluksissa tai paikoissa, joissa paine voi muuttua nopeasti.

Jatkuvan 110 asteen rajan ylityksen vaikutukset
Lyhyet kierrokset hieman yli 110 astetta voidaan sietää ilman nopeaa vikaa. Mutta jos ylität tämän rajan toistuvasti tai pitkään, voit aiheuttaa pysyviä vahinkoja. Havaittuja seurauksia ovat mm.

Vaipan oheneminen ja paikalliset hotspotit: Creep mahdollistaa PTFE:n virtauksen pois kuumimmista alueista ohentaen vaippaa. Ohuilla alueilla lämmönjohtavuus on korkeampi. Tämä positiivinen takaisinkytkentäsilmukka johtaa paikallisten hot spottien nopeampaan lämpenemiseen.

Dielektrisen lujuuden menetys - Vaipan ohennetut osat pienentävät sähköeristyksen marginaalia ja lisäävät rikkoontumisvaaraa.

Pysyvä muodonmuutos - Kun PTFE on hiipinyt tai vääntynyt, jäähdytys ei palauta sitä alkuperäiseen muotoonsa. Puristunutta tai paisunutta vaippaa ei voi korjata millään tavalla.

Tiivistevirhe - Kylmävyöhykkeen tiiviste perustuu PTFE-vaipan ja liitinkokoonpanon väliseen hyvään sovitukseen. Creep voi löysätä tätä sovitusta ja päästää nesteitä tai höyryjä sisään.

On huomattava, että 110 asteen raja koskee PTFE-vaipan lämpötilaa, ei välttämättä bulkkinesteen lämpötilaa. Oikein rakennetussa lämmittimessä vaipan lämpötila on vain hieman korkeampi kuin nesteen lämpötila, koska lämpö siirtyy tehokkaasti vastuslangasta nesteeseen. Mutta korkealla wattitiheydellä (teho pinta-alayksikköä kohti) tai nesteen pinnalla lämmitetyn osan alapuolella, vaipan lämpötila voi ylittää nesteen lämpötilan suurella marginaalilla, vaikka itse neste olisi alle 110 astetta.

Korkean-lämpötilojen käyttö wattitiheys{1}}arvo
PTFE:n mekaaninen lujuus riippuu lämpötilasta{0}}, ja tämä vaikuttaa materiaalin kykyyn kestää rasitusta, ja tästä syystä lähellä 110 astetta toimivien uppolämmittimien wattitiheyden on oltava alhaisempi kuin alemmissa lämpötiloissa käytettävien lämmittimien. Wattitiheys on teho lämmityspinnan pinta-alaa kohti, ja se esitetään yleensä watteina neliötuumaa kohti (W/in 2) tai watteina neliösenttimetriä kohti (W/cm 2 ).

Yleiset ohjeet PTFE-sähkölämmittimille ovat:

Hyväksyttävä wattitiheys jopa 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) 60 asteen (140 asteen F) lämpötiloissa.

60–90 astetta (140–194 astetta F) – Pienet wattitiheydet 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90–110 astetta (194–230 astetta F) – Wattitiheyttä on vähennettävä edelleen arvoon 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).

Yli 110 astetta (230 astetta F) - PTFE-upotuslämmittimiä ei useinkaan suositella pitkäaikaiseen käyttöön.

Käytännössä nämä arvot on viritettävä tiettyä sovellusta varten. Suurempia wattitiheyksiä voidaan sietää sekoitetuissa kylvyissä, joissa on korkea lämmönsiirtokerroin. Pysähtyneitä tai viskooseja nesteitä varten tarvitaan pienempi wattitiheys. Tavoitteena on varmistaa, että PTFE-vaipan lämpötila ei missään tapauksessa ole yli 110 astetta, edes kuumimmissa paikoissa sisäisen vastuslangan lähellä.

Lämpötilan säätö suojana
110 asteen rajan noudattamiseksi tarvitaan tarkka lämpötilan mittaus ja luotettava ohjaus. Uppolämmittimissä tulee olla lämpötila-anturi (termopari tai RTD) mahdollisimman lähellä lämmityselementtiä tai PTFE-vaipan sisällä. Lisää korkean-rajan turvakatkaisu ohjaimen suurimman sallitun lämpötilarajoituksen varaan.

On havaittu, että suurin osa ennenaikaisista PTFE-lämmittimen vioista ei johdu liian korkeasta asetuspistelämpötilasta, vaan paikallisesta ylikuumenemisesta. Paikalliseen ylikuumenemiseen johtavat tekijät:

Matala nestetaso altistaa osan lämmitetystä vaipasta ilmalle.

Likaantuminen vaipan pinnalla, mikä vähentää lämmönsiirtoa.

Huono ilmavirtaus lämmittimen ympärillä, mikä johtaa pysähtyneisiin alueisiin.

Suuri wattitiheys, joka johtaa korkeaan lämpötilagradienttiin sisäisen langan ja vaipan pinnan välillä.

Mikä tahansa näistä olosuhteista voi nostaa vaipan lämpötilan haitallisille tasoille, vaikka nesteen lämpötila on alle 110 astetta.

Johtopäätökset
Käyttölämpötila vaikuttaa suoraan PTFE-vaipan mekaaniseen eheyteen. Lämpötilan vaikutus PTFE:n mekaaniseen lujuuteen johtaa vetolujuuden menettämiseen, virumisalttiuden lisääntymiseen ja materiaalin paineenkeston alenemiseen ympäristön lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa. Jatkuvalla käyttörajalla 110 astetta PTFE säilyttää vain noin 40 % huoneenlämpötilastaan ​​vetolujuudestaan ​​ja virumisnopeudet ovat riittävän merkittäviä aiheuttamaan pitkäaikaista muodonmuutosta.

110 C raja ei ole mielivaltainen luku, vaan mekaaninen raja. Tämän rajan ylittäminen voi aiheuttaa vaipan romahtamisen, ilmapallon tunkeutumisen, ohenemisen, tiivisteen rikkoutumisen ja lopullisen sähkökatkon. Siksi lämpötilan säätö ja oikea wattitiheys ovat ratkaisevia lämmittimen käyttöiän ylläpitämisessä. Käytettäessä lämpötilaympäristössä, johon se on suunniteltu ja hyväksyttävissä lämmönsiirto-olosuhteissa, PTFE-vaippa säilyttää mekaanisen lujuutensa ja suojaa sisäistä lämmityselementtiä vuosien luotettavan toiminnan ajan.