Kakav je uticaj radne temperature na mehaničku čvrstoću omotača PTFE grijača?

PTFE je jak, izdržljiv materijal na sobnoj temperaturi. Međutim, njegove mehaničke kvalitete se dramatično mijenjaju kako temperatura raste. Razumijevanje ovih promjena je važno za pravilan rad PTFE potopnih grijača u okviru njihovog dizajna. Plašt PTFE grijača čini više nego samo pruža hemijsku otpornost. Takođe mora da se odupre pritisku okolne tečnosti, da se odupre deformacijama tokom vremena i da zadrži svoj oblik. Sve ove mehaničke funkcije pogoršavaju se s povećanjem temperature. Stoga je utjecaj temperature na mehaničku čvrstoću PTFE važna briga za svakoga ko specificira, instalira ili koristi PTFE potopne grijače.

Kako temperatura utječe na molekularnu strukturu PTFE-a
PTFE je polukristalni polimer. U kristalnim dijelovima, koji su prošarani amorfnim (poremećenim) dijelovima, molekularni lanci su tijesno zbijeni na sobnoj temperaturi. Ova struktura daje PTFE-u njegovu tipičnu snagu, nisko trenje i hemijsku inertnost. Kako temperatura raste, molekularne vibracije se povećavaju i amorfni dijelovi počinju da omekšaju prije nego što se kristalni dijelovi tope.

Općenito dogovorena maksimalna temperatura kontinuirane upotrebe PTFE-a u radu grijača je 110ºC. Ova granica nije hirovita. Na ovoj temperaturi brzo se dešavaju tri odvojene mehaničke transformacije:

Manja vlačna čvrstoća - Količina napora potrebna za rastezanje ili kidanje PTFE omotača je znatno smanjena.

Povećano puzanje - Pod konstantnim opterećenjem (npr. pritisak tekućine ili unutrašnja sila otporne žice), PTFE će se polako savijati s vremenom.

• Manja otpornost na pritisak - Plašt je skloniji kolapsu ili baloniranju pod diferencijalnim pritiskom.

Utvrđeno je da se PTFE ne topi do 327 stepeni iako je njegova mehanička korisnost gotova mnogo prije toga. Za aplikacije uronjenih grijača izvodljiva gornja granica za kontinuirani rad je 110 stepeni.

Promjena vlačne čvrstoće s temperaturom
Vlačna čvrstoća je najveći vlačni (rastezalni) napon koji materijal može podnijeti prije nego što se slomi. Za PTFE ova karakteristika monotono opada s temperaturom. Tabela ispod se odnosi na približne vrijednosti iz konvencionalnih postupaka ispitivanja (ASTM D638).

Temperatura (stepen) Temperatura (stepen F) Približna vlačna čvrstoća (MPa) Približna zatezna čvrstoća psi% od vrijednosti pri sobnoj temp.
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% 
Napomena: Vrijednosti su indikativne, stvarna zatezna čvrstoća zavisi od PTFE razreda, kristalnosti i uslova ispitivanja.

Zatezna čvrstoća PTFE-a na 100 stepeni je otprilike upola manja od one na 23 stepena. Na 110 stepeni pada na oko 40% vrijednosti temperature okoline. Značajno smanjenje mehaničkog naprezanja, bilo zbog pritiska tekućine, termičkog širenja ili rukovanja, čini oštećenje na visokim temperaturama daleko vjerojatnijim.

Puzanje i deformacija opterećenja
Jedan od glavnih nedostataka PTFE-a na visokim temperaturama je njegova sklonost puzanju. Puzanje je izobličenje supstance tokom vremena pod stalnim opterećenjem. Dok metali imaju nižu temperaturu za puzanje, PTFE će puzati na bilo kojoj temperaturi iznad okoline. Brzina puzanja raste eksponencijalno s temperaturom.

Za PTFE plašt grijača, primjenjiva opterećenja su:

Eksterni pritisak tečnosti - Hidrostatički pritisak u dubokim rezervoarima može biti čak 0,1 bar po metru dubine. Ovaj pritisak je minimalan na 2-3 metra, ali kada je uparen s povišenom temperaturom može uzrokovati da se omotač polako sruši ili udubi.

Unutrašnja naprezanja od žice otpora - Metalni grijaći element je ugrađen u PTFE. Diferencijalno termičko širenje metala i PTFE uzrokuje unutrašnje napetosti. Na visokoj temperaturi PTFE ublažava ova naprezanja puzanjem koje može promijeniti oblik omotača.

Sile stezanja ili montaže - Svako mehaničko ograničenje primijenjeno na grijač (kao što su konzole, prirubnice ili oslonci) može uzrokovati lokalne koncentracije naprezanja. Puzanje može uzrokovati da PTFE otječe iz tačaka visokog pritiska i izazove otpuštanje ili kvar zaptivanja.

Puzanje je rijetko katastrofalno kratkoročno u praksi. Grejač na 105 stepeni ne može pokazati očiglednu distorziju mesecima ili čak godinama. Ali puzanje s vremenom može dovesti do tanjenja omotača na određenim lokacijama, smanjenja dielektrične čvrstoće i mehaničke zaštite. Što je još kritičnije, puzanje na kontaktu između PTFE omotača i zaptivke terminala može omogućiti prolaz vlage ili korozivnih para da dođu do grijača.

Rizici od kolapsa ili baloniranja i otpornost na pritisak
PTFE omoti grijača nisu posude pod pritiskom. Dizajnirani su za rad na ili blizu atmosferskog tlaka unutar i izvana. Unutrašnja komora u kojoj se nalazi otporna žica nije pod pritiskom, ispunjena je PTFE-om ili vazduhom pod pritiskom okoline. Dva mehanizma kvara povezana s pritiskom su sljedeća:

Kolaps vanjskog pritiska - Ako je vanjski pritisak tekućine mnogo veći od unutrašnjeg pritiska, omotač se može srušiti prema unutra. To je vjerojatnije na višim temperaturama jer je modul elastičnosti (krutost) PTFE smanjen. Kolaps se obično smatra spljoštenim ili udubljenim dijelom omotača.

Baloniranje unutrašnjeg pritiska - Vrući, omekšani PTFE može balonirati prema van ako unutrašnja šupljina postane pod pritiskom zbog ispuštanja plina ili ekspanzije zarobljenog plina. Manje uobičajeno, ali moguće kada se vlaga unutar grijača pretvara u paru.

Oba tipa kvara su direktno kontrolisana temperaturnim efektom mehaničke čvrstoće PTFE. PTFE može izdržati diferencijalni pritisak od nekoliko bara na 23 stepena bez trajne deformacije. Na 110 stepeni isti diferencijalni pritisak može dovesti do trenutnog kolapsa ili baloniranja. Zbog toga se PTFE grijači ne bi trebali koristiti za primjene visokog tlaka ili gdje može doći do brzih promjena tlaka.

Efekti prekoračenja kontinuirane granice od 110 stepeni
Kratki izleti do malo iznad 110 stepeni mogu se tolerisati bez brzog kvara. Ali ako više puta prekoračite ovu granicu ili duže vrijeme možete uzrokovati trajnu štetu. Uočene posljedice uključuju:

Stanje omotača i lokalizovane vruće tačke: Puzanje omogućava PTFE-u da teče iz najtoplijih regija, stanjivajući omotač. Tanje regije imaju veću toplotnu provodljivost. Ova pozitivna povratna sprega rezultira bržim zagrijavanjem lokalnih vrućih tačaka.

Gubitak dielektrične čvrstoće - Stanji dijelovi omotača smanjuju marginu električne izolacije i povećavaju opasnost od kvara.

Trajna deformacija - Jednom kada PTFE puzi ili iskrivi, hlađenje ga neće vratiti u prvobitni oblik. Ne postoji način da se popravi srušeni ili naduvani omotač.

Otkazivanje brtve - Zaptivka u hladnoj zoni se oslanja na dobro pristajanje između PTFE omotača i sklopa terminala. Puzanje može olabaviti ovo prianjanje i omogućiti ulazak tekućine ili para.

Treba napomenuti da je granica od 110 stepeni za temperaturu PTFE omotača, a ne nužno i za temperaturu tečnosti. U pravilno izgrađenom grijaču temperatura omotača je samo nešto viša od temperature tekućine zbog efektivnog prijenosa topline sa otporne žice na tekućinu. Ali sa velikom gustoćom u vatima (snaga po jedinici površine) ili sa nivoom tečnosti ispod zagrejanog dela, temperatura omotača može znatno premašiti temperaturu tečnosti, čak i kada je sama tečnost ispod 110 stepeni.

De-ocjena gustine u vatima usluge visoke{0}}
Mehanička čvrstoća PTFE zavisi od temperature{0}}i to utiče na sposobnost materijala da odoli naprezanju i iz tog razloga, uranjajući grijači koji bi trebali raditi na blizu 110 stepeni moraju imati nižu gustoću u vatima od grijača koji se koriste na nižim temperaturama. Gustoća vata je izlazna snaga po površini grijaće površine i obično je predstavljena u vatima po kvadratnom inču (W/in 2) ili vatima po kvadratnom centimetru (W/cm 2).

Opće smjernice za PTFE potopne grijače su:

Prihvatljive gustine u vatima do 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) na temperaturama do 60 stepeni (140 stepeni F).

60–90 stepeni (140-194 stepena F) – Mala gustoća u vatima od 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90-110 stepeni (194–230 stepeni F) – Potrebno je dalje smanjenje gustoće u vatima na 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).

Iznad 110 stepeni (230 stepeni F) - PTFE potopni grijači se često ne savjetuju za produženu upotrebu.

U praksi, ove vrijednosti moraju biti podešene za određenu primjenu. Veće gustoće u vatima mogu se tolerirati u miješanim kupkama s visokim koeficijentima prijenosa topline. Za ustajale ili viskozne tekućine potrebne su manje gustoće u vatima. Cilj je da se garantuje da nigde temperatura PTFE omotača ne bude veća od 110 stepeni, čak ni na najtoplijim lokacijama u blizini žice unutrašnjeg otpora.

Kontrola temperature kao zaštita
Za poštovanje granice od 110 stepeni neophodno je precizno merenje temperature i pouzdana kontrola. Potopni grijači trebaju imati temperaturni senzor (termopar ili RTD) što je moguće bliže grijaćem elementu ili unutar PTFE omotača. Dodajte sigurnosni-isključak visoke granice kao rezervu za maksimalno dozvoljeno ograničenje temperature na kontroleru.

Otkriveno je da većina prijevremenih kvarova PTFE grijača nije uzrokovana previsokom zadanom temperaturom, već lokaliziranim pregrijavanjem. Faktori koji dovode do lokalnog pregrijavanja:

Nizak nivo tečnosti izlaže deo zagrejanog omotača vazduhu.

Prljanje na površini omotača, što dovodi do smanjenog prijenosa topline.

Slabo strujanje zraka oko grijača što rezultira stagnirajućim područjima.

Velika gustoća u vatima rezultira visokim temperaturnim gradijentom između unutrašnje žice i površine omotača.

Bilo koji od ovih uslova može povećati temperaturu omotača na štetne nivoe čak i kada je temperatura tečnosti ispod 110 stepeni.

Zaključci
Radna temperatura direktno utiče na mehanički integritet PTFE omotača. Utjecaj temperature na mehaničku čvrstoću PTFE-a rezultira gubitkom vlačne čvrstoće, povećanjem podložnosti puzanju i smanjenjem otpornosti materijala na pritisak na temperaturama iznad ambijentalnih. Na granici neprekidnog rada od 110 stepeni, PTFE zadržava samo oko 40% svoje zatezne čvrstoće na sobnoj temperaturi, a stope puzanja postaju dovoljno značajne da izazovu dugotrajnu deformaciju.

Granica od 110C nije proizvoljna već mehanička granica. Prekoračenje ove granice može uzrokovati kolaps omotača, baloniranje, stanjivanje, kvar brtve i konačni električni kvar. Stoga su kontrola temperature i ispravna gustoća u vatima ključni za održavanje vijeka trajanja grijača. Kada se radi u temperaturnom okruženju za koje je projektovan i sa prihvatljivim uslovima prenosa toplote, PTFE omotač će zadržati svoju mehaničku čvrstoću i štiti unutrašnji grejni element tokom godina pouzdanog rada.