Какъв е ефектът от работната температура върху механичната якост на PTFE нагревателните обвивки?

PTFE е здрав, издръжлив материал при стайна температура. Механичните му качества обаче се променят драстично с повишаване на температурата. Разбирането на тези промени е важно за правилното функциониране на PTFE потопяеми нагреватели в рамките на техния дизайн. Обвивката на PTFE нагревател не само осигурява химическа устойчивост. Той също така трябва да устои на натиска на околната течност, да устои на деформация във времето и да запази формата си. Всички тези механични функции се влошават с повишаване на температурата. По този начин влиянието на температурата върху механичната якост на PTFE е важен проблем за всеки, който специфицира, инсталира или използва PTFE потопяеми нагреватели.

Как температурата влияе върху молекулярната структура на PTFE
PTFE е полукристален полимер. В кристални участъци, които са осеяни с аморфни (неподредени) части, молекулните вериги са плътно опаковани при стайна температура. Тази структура придава на PTFE неговата типична здравина, ниско триене и химическа инертност. С повишаването на температурата молекулярните вибрации се увеличават и аморфните части започват да омекват, преди кристалните части да се стопят.

Общоприетата максимална непрекъсната температура на употреба на PTFE при обслужване с потопяем нагревател е 110ºC. Тази граница не е капризна. При тази температура бързо протичат три отделни механични трансформации:

По-малка якост на опън - Усилието, необходимо за разтягане или разкъсване на PTFE обвивката, е значително намалено.

Повишено пълзене - При постоянно натоварване (напр. налягане на течността или вътрешна сила от съпротивителния проводник), PTFE бавно ще се огъне с времето.

• По-ниска устойчивост на натиск - Обвивката е по-податлива на срутване или издуване при диференциално налягане.

Установено е, че PTFE не се топи до 327 градуса, въпреки че неговата механична полезност е приключила много преди това. За приложения с потопяем нагревател възможната горна граница за непрекъсната работа е 110 градуса.

Промяна в якостта на опън с температура
Якостта на опън е най-високото напрежение на опън (разтягане), което материалът може да понесе, преди да се счупи. За PTFE тази характеристика намалява монотонно с температурата. Таблицата по-долу е свързана с приблизителните стойности от конвенционалните тестови процедури (ASTM D638).

Температура (градус) Температура (градус F) Приблизителна якост на опън (MPa) Приблизителна якост на опън psi% от стойността при стайна температура.
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% 
Забележка: Стойностите са ориентировъчни. Действителната якост на опън зависи от степента на PTFE, кристалността и условията на изпитване.

Якостта на опън на PTFE при 100 градуса е около половината от тази при 23 градуса. При 110 градуса тя пада до около 40% от стойността на околната температура. Значителното намаляване на механичното напрежение, независимо дали се дължи на налягането на течността, топлинното разширение или манипулирането, прави повреда при високи температури много по-вероятна.

Деформация при пълзене и натоварване
Един основен недостатък на PTFE при високи температури е склонността му към пълзене. Пълзенето е изкривяването на веществото с течение на времето при постоянно натоварване. Докато металите имат по-ниска температура за пълзене, PTFE ще пълзи при всякаква температура над околната среда. Скоростта на пълзене нараства експоненциално с температурата.

За PTFE нагревателната обвивка приложимите натоварвания са:

Външно налягане на течността - Хидростатичното налягане в дълбоки резервоари може да достигне до 0,1 бара на метър дълбочина. Това налягане е минимално на 2-3 метра, но когато е съчетано с повишена температура, може да доведе до бавно свиване или трапчинка на обвивката.

Вътрешни напрежения от съпротивителния проводник - Металният нагревателен елемент е вграден в PTFE. Диференциалното термично разширение на метал и PTFE причинява вътрешни напрежения. При висока температура PTFE облекчава тези напрежения чрез пълзене, което може да промени формата на обвивката.

Сили на затягане или монтаж - Всяко механично ограничение, приложено към нагревателя (като скоби, фланци или опори), може да причини локални концентрации на напрежение. Пълзенето може да доведе до изтичане на PTFE от точки с високо налягане и да причини разхлабване или повреда на уплътнението.

На практика пълзенето рядко е катастрофално в краткосрочен план. Нагревател при 105 градуса може да не покаже видимо изкривяване в продължение на месеци или дори години. Но пълзенето с течение на времето може да доведе до изтъняване на обвивката на определени места, намалявайки диелектричната якост и механичната защита. По-критично е, че пълзенето при контакта между PTFE обвивката и клемното уплътнение може да позволи преминаване на влага или корозивни пари да достигнат до нагревателя.

Рискове от колапс или балон и устойчивост на натиск
PTFE нагревателните обвивки не са съдове под налягане. Те са проектирани да работят при или близо до атмосферно налягане вътрешно и външно. Вътрешната камера, в която се намира съпротивителният проводник, не е под налягане, тя е пълна с PTFE или въздух при налягане на околната среда. Два свързани с налягането механизма на повреда са както следва:

Свиване при външно налягане - Ако външното налягане на течността е много по-високо от вътрешното налягане, обвивката може да се свие навътре. Това е по-вероятно при по-високи температури, тъй като модулът на еластичност (твърдостта) на PTFE е намален. Под свиване обикновено се разбира сплескана или вдлъбната част на обвивката.

Повишаване на вътрешното налягане - Горещият, омекотен PTFE може да се раздуе навън, ако вътрешната кухина бъде под налягане поради отделяне на газове или разширение на задържан газ. По-рядко, но възможно, когато влагата вътре в нагревателя се превръща в пара.

И двата вида повреди се контролират директно от температурния ефект на механичната якост на PTFE. PTFE може да издържи диференциално налягане от няколко бара при 23 градуса без постоянна деформация. При 110 градуса същото диференциално налягане може да доведе до мигновен колапс или балон. Следователно PTFE нагревателите не трябва да се използват за приложения с високо налягане или където могат да възникнат бързи промени в налягането.

Ефекти от превишаване на непрекъснатата граница от 110 градуса
Кратки отклонения до малко над 110 градуса могат да бъдат толерирани без бърз отказ. Но ако многократно превишавате тази граница или за дълго време, можете да причините трайни щети. Наблюдаваните последствия включват:

Изтъняване на обвивката и локализирани горещи точки: Пълзенето позволява на PTFE да изтича от най-горещите региони, изтънявайки обвивката. По-тънките области имат по-висока топлопроводимост. Тази положителна обратна връзка води до по-бързо нагряване на локалните горещи точки.

Загуба на диелектрична якост - Изтънените части на обвивката намаляват маржа на електрическата изолация и увеличават опасността от повреда.

Постоянна деформация - След като PTFE пълзи или се изкриви, охлаждането няма да го върне в първоначалната му форма. Няма начин да се поправи свита или надута обвивка.

Повреда на уплътнението - Уплътнението в студената зона разчита на доброто прилягане между PTFE обвивката и клемния модул. Пълзенето може да разхлаби това прилягане и да позволи навлизането на течност или пара.

Трябва да се отбележи, че границата от 110 градуса е за температурата на PTFE обвивката, а не непременно за температурата на насипната течност. При правилно изграден нагревател температурата на обвивката е малко по-висока от температурата на течността поради ефективния пренос на топлина от съпротивителния проводник към течността. Но с висока плътност на вата (мощност на единица повърхност) или с ниво на течност под нагрятата част, температурата на обвивката може да надвиши температурата на течността с голяма разлика, дори когато самата течност е под 110 градуса.

Де-номинална работна плътност при висока{0}}температура
Механичната якост на PTFE зависи- от температурата и това влияе върху способността на материала да издържа на натоварване и поради тази причина потопяемите нагреватели, предназначени да работят при температура близо до 110 градуса, трябва да имат по-ниска плътност във ватове от нагревателите, използвани при по-ниски температури. Плътността във ватове е изходната мощност за площ от нагревателната повърхност и обикновено се представя във ватове на квадратен инч (W/in 2 ) или ватове на квадратен сантиметър (W/cm 2 ).

Общите насоки за PTFE потопяеми нагреватели са:

Приемливи ватови плътности до 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) при температури до 60 градуса (140 градуса F).

60–90 градуса (140–194 градуса F) – Ниска плътност на вата от 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90-110 градуса (194-230 градуса F) – Необходимо е по-нататъшно намаляване на плътността на ватовете до 10-15 W/in² (1,6-2,3 W/cm²).

Над 110 градуса (230 градуса F) - PTFE потопяеми нагреватели често не се препоръчват за продължителна употреба.

На практика тези стойности трябва да бъдат настроени за конкретното приложение. По-високи ватови плътности могат да бъдат толерирани в разбърквани вани с високи коефициенти на топлопреминаване. По-ниски ватови плътности са необходими за застояли или вискозни течности. Целта е да се гарантира, че никъде температурата на PTFE обвивката не е по-висока от 110 градуса, дори на най-горещите места в близост до вътрешния съпротивителен проводник.

Контрол на температурата като защита
За да се спази границата от 110 градуса, е необходимо точно измерване на температурата и надежден контрол. Потопяемите нагреватели трябва да имат температурен сензор (термодвойка или RTD) възможно най-близо до нагревателния елемент или вътре в PTFE обвивката. Добавете високо{3}}предпазно изключване като резервно копие на максимално допустимото температурно ограничение на контролера.

Установено е, че по-голямата част от преждевременните повреди на PTFE нагревателя не са причинени от твърде високата зададена температура, а от локализирано прегряване. Фактори, водещи до локално прегряване:

Ниско ниво на течност, излагащо част от нагрятата обвивка на въздух.

Замърсяване на повърхността на обвивката, което води до намален пренос на топлина.

Лош въздушен поток около нагревателя, което води до застояли зони.

Висока плътност на вата, водеща до висок температурен градиент между вътрешния проводник и повърхността на обвивката.

Всяко едно от тези условия може да повиши температурата на обвивката до вредни нива, дори когато температурата на насипната течност е под 110 градуса.

Изводи
Работната температура пряко влияе върху механичната цялост на PTFE обвивката. Влиянието на температурата върху механичната якост на PTFE води до загуба на якост на опън, увеличаване на чувствителността към пълзене и намаляване на устойчивостта на натиск на материала при температури над околната среда. При границата на непрекъсната експлоатация от 110 градуса, PTFE запазва само около 40% от своята якост на опън при стайна температура и скоростите на пълзене стават достатъчно значителни, за да предизвикат дълготрайна деформация.

Границата от 110C не е произволна цифра, а механична граница. Превишаването на тази граница може да причини срутване на обвивката, балонизиране, изтъняване, повреда на уплътнението и окончателно електрическо повреда. По този начин контролът на температурата и правилната плътност на ватовете са от решаващо значение за поддържането на живота на нагревателя. Когато работи в рамките на температурната среда, за която е проектирана, и с приемливи условия на топлообмен, PTFE обвивката ще запази своята механична здравина и ще защити вътрешния нагревателен елемент за години на надеждна работа.