Hvad er virkningen af ​​driftstemperatur på den mekaniske styrke af PTFE-varmekapper?

PTFE er et stærkt, holdbart materiale ved stuetemperatur. Dens mekaniske kvaliteter ændrer sig dog dramatisk, når temperaturen stiger. Det er vigtigt at forstå disse ændringer for at kunne betjene PTFE-dyppevarmere korrekt inden for deres designramme. Kappen på en PTFE-varmer gør mere end blot at give kemisk resistens. Den skal også modstå trykket fra den omgivende væske, modstå deformation over tid og bevare sin form. Alle disse mekaniske funktioner forringes med stigende temperatur. Temperaturens indflydelse på PTFEs mekaniske styrke er således en vigtig bekymring for enhver, der specificerer, installerer eller betjener PTFE-dyppevarmere.

Hvordan temperatur påvirker den molekylære struktur af PTFE
PTFE er en semikrystallinsk polymer. I krystallinske sektioner, som er spækket med amorfe (uordnede) dele, er molekylekæderne tæt pakket ved stuetemperatur. Denne struktur giver PTFE dens typiske styrke, lave friktion og kemiske inerthed. Efterhånden som temperaturen stiger, stiger de molekylære vibrationer, og de amorfe dele begynder at blive bløde, før de krystallinske dele smelter.

Den generelt aftalte maksimale kontinuerlige brugstemperatur for PTFE i elpatronservice er 110ºC. Denne grænse er ikke lunefuld. Ved denne temperatur sker tre separate mekaniske transformationer hurtigt:

Mindre trækstyrke - Mængden af ​​indsats, der kræves for at strække eller rive PTFE-skeden, er stærkt reduceret.

Øget krybning - Under konstant belastning (f.eks. væsketryk eller intern kraft fra modstandstråden), vil PTFE langsomt bøje sig med tiden.

• Lavere trykmodstand - Skeden er mere tilbøjelig til at kollapse eller ballonforme under differenstryk.

Det har vist sig, at PTFE ikke smelter før 327 grader, selvom dets mekaniske nytte er forbi længe før det. For el-varmeanlæg er den mulige øvre grænse for kontinuerlig drift 110 grader.

Ændring i trækstyrke med temperatur
Trækstyrke er den højeste trækspænding (stræk) et materiale kan tåle, før det går i stykker. For PTFE falder denne egenskab monotont med temperaturen. Tabellen nedenfor er relateret til omtrentlige værdier fra konventionelle testprocedurer (ASTM D638).

Temperatur ( grad ) Temperatur ( grad F) Omtrentlig trækstyrke (MPa) Omtrentlig trækstyrke psi % af værdi ved stuetemperatur.
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% 
Bemærk: Værdierne er vejledende. Den faktiske trækstyrke afhænger af PTFE-kvaliteten, krystalliniteten og testbetingelserne.

Trækstyrken af ​​PTFE ved 100 grader er omkring halvdelen af ​​den ved 23 grader. Ved 110 grader falder den til omkring 40 % af den omgivende temperaturværdi. Den betydelige reduktion i mekanisk belastning, uanset om det skyldes væsketryk, termisk ekspansion eller håndtering, gør skader ved høje temperaturer langt mere sandsynlige.

Kryb og belastningsdeformation
En stor ulempe ved PTFE ved høje temperaturer er dets tendens til at krybe. Krybning er forvrængning af et stof over tid under en konstant belastning. Mens metaller har en lavere temperatur for krybning, vil PTFE krybe ved enhver temperatur over omgivende. Krybehastigheden vokser eksponentielt med temperaturen.

For PTFE-varmekappen er de gældende belastninger:

Eksternt væsketryk - Hydrostatisk tryk i dybe tanke kan være så højt som 0,1 bar pr. meter dybde. Dette tryk er minimalt ved 2-3 meter, men når det parres med forhøjet temperatur, kan det få hylsteret til langsomt at kollapse eller fordybe sig.

Interne spændinger fra modstandstråden - Metalvarmeelementet er indlejret i PTFE. Differentiel termisk udvidelse af metal og PTFE forårsager indre spændinger. Ved høj temperatur aflaster PTFE disse spændinger ved krybning, som kan ændre kappens form.

Klem- eller monteringskræfter - Enhver mekanisk begrænsning, der påføres varmeren (såsom beslag, flanger eller understøtninger) kan forårsage lokale spændingskoncentrationer. Krybning kan få PTFE til at flyde væk fra punkter med højt tryk og forårsage løsning eller tætningsfejl.

Krybning er sjældent katastrofal på kort sigt i praksis. En varmelegeme på 105 grader kan ikke vise nogen tydelig forvrængning i måneder eller endda år. Men krybet over tid kan føre til, at kappen bliver tyndere på bestemte steder, hvilket mindsker den dielektriske styrke og den mekaniske beskyttelse. Mere kritisk kan krybning ved kontakten mellem PTFE-kappen og terminaltætningen tillade en passage for fugt eller ætsende dampe til at nå varmeren.

Risiko for kollaps eller ballondannelse og modstand mod tryk
PTFE-varmekapper er ikke trykbeholdere. De er designet til at fungere ved eller nær atmosfærisk tryk internt og eksternt. Det indre kammer, hvori modstandstråden er placeret, er ikke tryksat, den er fyldt med PTFE eller luft ved omgivende tryk. Trykrelaterede to fejlmekanismer er som følger:

Eksternt trykkollaps - Hvis det eksterne væsketryk er meget højere end det indre tryk, kan kappen kollapse indad. Dette er mere sandsynligt ved højere temperaturer, fordi elasticitetsmodulet (stivheden) af PTFE er reduceret. Et sammenbrud forstås normalt som en fladtrykt eller fordybning del af kappen.

Intern trykballonering - Den varme, blødgjorte PTFE kan ballonere udad, hvis det indre hulrum kommer under tryk på grund af udgasning eller indespærret gasudvidelse. Mindre almindeligt, men muligt med fugten inde i varmeren, der bliver til damp.

Begge fejltyper styres direkte af PTFEs mekaniske styrketemperatureffekt. PTFE kan tåle et differenstryk på flere bar ved 23 grader uden permanent deformation. Ved 110 grader kan det samme differenstryk give øjeblikkelig kollaps eller ballondannelse. Derfor bør PTFE-varmere ikke bruges til højtryksanvendelser, eller hvor der kan forekomme hurtige trykændringer.

Effekter af at overskride den kontinuerlige 110 graders grænse
Korte udflugter til lidt over 110 grader kan tolereres uden hurtige fejl. Men hvis du gentagne gange overskrider denne grænse eller i lang tid, kan du forårsage varig skade. De observerede konsekvenser omfatter:

Skedeudtynding og lokaliserede hotspots: Krybning gør det muligt for PTFE at flyde væk fra de varmeste områder, hvilket fortynder hylsteret. Tyndere områder har højere varmeledningsevne. Denne positive feedback loop resulterer i en hurtigere opvarmning af lokale hot spots.

Tab af dielektrisk styrke - Udtyndede dele af kappen mindsker marginen af ​​elektrisk isolering og øger risikoen for nedbrud.

Permanent deformation - Når først PTFE har krøbet eller forvrænget, vil afkøling ikke bringe det tilbage til sin oprindelige form. Der er ingen måde at reparere en kollapset eller oppustet kappe.

Forseglingsfejl - Forseglingen i den kolde zone er afhængig af en god pasform mellem PTFE-kappen og terminalenheden. Krybning kan løsne denne pasform og tillade væske eller damp at komme ind.

Det skal bemærkes, at grænsen på 110 grader er for PTFE-hylstertemperaturen, ikke nødvendigvis bulkvæsketemperaturen. I et korrekt bygget varmelegeme er kappetemperaturen blot lidt højere end væsketemperaturen på grund af den effektive varmeoverførsel fra modstandstråden til væsken. Men med en høj watt-densitet (effekt pr. overfladeenhed) eller med et væskeniveau under den opvarmede del, kan kappetemperaturen overstige væsketemperaturen med en stor margin, selv når selve væsken er under 110 grader.

Høj-Temperature Service Watt Density De-Rating
Den mekaniske styrke af PTFE er temperatur-afhængig, og dette påvirker materialets evne til at modstå stress, og af denne grund skal el-varmelegemer, der er beregnet til at køre tæt på 110 grader, have lavere watt-densiteter end varmelegemer, der bruges ved lavere temperaturer. Watt-tæthed er udgangseffekten pr. område af varmefladen og er sædvanligvis repræsenteret i watt pr. kvadrattomme (W/in 2 ) eller watt pr. kvadratcentimeter (W/cm 2 ).

De generelle retningslinjer for PTFE elpatron er:

Acceptable watt-densiteter op til 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) ved temperaturer til 60 grader (140 grader F).

60-90 grader (140-194 grader F) – Lave watt-tætheder på 15-20 W/in 2 (2,3-3,1 W/cm 2).

90-110 grader (194-230 grader F) – Yderligere reduktion af watt-densiteter til 10-15 W/in² (1,6-2,3 W/cm²) er påkrævet.

Over 110 grader (230 grader F) - PTFE-dyppevarmere anbefales ofte ikke til langvarig brug.

I praksis skal disse værdier indstilles til den specifikke anvendelse. Højere watt-densiteter kan tolereres i omrørte bade med høje varmeoverførselskoefficienter. Lavere watt-densiteter er nødvendige for stillestående eller tyktflydende væsker. Målet er at garantere, at ingen steder temperaturen på PTFE-kappen er mere end 110 grader, selv på de varmeste steder i nærheden af ​​den indre modstandsledning.

Temperaturkontrol som beskyttelse
For at overholde grænsen på 110 grader er nøjagtig temperaturmåling og pålidelig kontrol nødvendig. El-varmelegemer bør have en temperaturføler (termoelement eller RTD) så tæt som muligt på varmeelementet eller inde i PTFE-kappen. Tilføj en høj-sikkerhedsudkobling som backup til en maksimalt tilladt temperaturbegrænsning på controlleren.

Det er blevet opdaget, at størstedelen af ​​for tidlige PTFE-varmefejl ikke skyldes, at den indstillede temperatur er for høj, men af ​​lokal overophedning. Faktorer, der resulterer i lokal overophedning:

Lavt væskeniveau udsætter en del af den opvarmede kappe for luften.

Tilsmudsning på kappens overflade, hvilket fører til reduceret varmeoverførsel.

Dårlig luftstrøm omkring varmeren, hvilket resulterer i stillestående områder.

Høj watt-tæthed resulterer i en høj temperaturgradient mellem den indvendige ledning og overfladen af ​​kappen.

Enhver af disse betingelser kan øge kappetemperaturen til skadelige niveauer, selv mens væskens bulktemperatur er under 110 grader.

Konklusioner
Driftstemperaturen påvirker direkte den mekaniske integritet af PTFE-kappen. Temperaturens indflydelse på PTFE's mekaniske styrke resulterer i tab af trækstyrke, forøgelse af modtageligheden for krybning og reduktion af materialets trykmodstand ved temperaturer over omgivelserne. Ved den kontinuerlige driftsgrænse på 110 grader bevarer PTFE kun omkring 40 % af sin trækstyrke ved stuetemperatur, og krybehastighederne bliver betydelige nok til at fremkalde langtidsdeformation.

110C-grænsen er ikke et vilkårligt tal, men en mekanisk grænse. Overskridelse af denne grænse kan forårsage kappekollaps, ballondannelse, udtynding, tætningsfejl og endeligt elektrisk nedbrud. Temperaturstyring og korrekt watt-tæthed er derfor afgørende for at opretholde varmeapparatets levetid. Når den betjenes i det temperaturmiljø, som den er designet til og med acceptable varmeoverførselsforhold, vil PTFE-kappen bevare sin mekaniske styrke og beskytte det indvendige varmeelement i mange års pålidelig drift.