Zašto se PTFE koristi u grijaćim elementima ako ne stvara toplinu?

Jednom kada znate da uranjajući grijač stvara toplinu pomoću unutrašnjeg metalnog otpornog elementa, na pamet vam dolazi razumno pitanje. Zašto se PTFE tako često koristi u grijaćim elementima za korozivne situacije jer ne stvara toplinu i ima nisku toplinsku provodljivost u poređenju s metalima? Sa stanovišta nauke o materijalima, ovo pitanje seže u srž kako odabrati prave materijale za elektrotermalne sisteme.

Rešenje je da PTFE ne stvara toplotu; umjesto toga, štiti od topline na mjestima gdje bi većina metala brzo otkazala. Iako ne proizvodi direktno električnu toplotu, njegov posao je veoma važan.


PTFE kao štit, a ne izvor toplote
Otporna žica unutar PTFE uranjajućeg grijača stvara toplinu. PTFE omotač koji okružuje unutrašnji element ne pomaže kod otpornog grijanja. Umjesto toga, drži energizirano metalno jezgro odvojeno od tekućine koja se obrađuje.

Ovo odvajanje je veoma važno kada se koriste korozivne hemikalije. Pod nekim uslovima, jake kiseline poput sumporne kiseline ili hlorovodonične kiseline i koncentrisane alkalije mogu oštetiti nerđajući čelik, titanijum, pa čak i legure visokih{1}}konstrukcija. U mnogim rezervoarima za hemijsku obradu i galvanizaciju goli metalni omotač bi počeo da rđa za nekoliko sati ili dana.

PTFE je, s druge strane, prilično otporan na hemikalije. Molekularna struktura ugljenika-fluora ove supstance je veoma stabilna i ne reaguje sa većinom oštrih supstanci. Zbog toga štiti dugo vremena na mjestima gdje obični metalni omotači ne mogu izdržati. U korozivnom radu, funkcija barijere koja štiti je daleko značajnija od postizanja najbolje toplotne provodljivosti.

U ovom slučaju, odabir materijala znači odabir dugovječnosti i kemijske kompatibilnosti u odnosu na efikasnost prijenosa sirove topline.

Sigurnost i električna izolacija
PTFE nije samo otporan na hemikalije, već dobro funkcioniše i kao električni izolator. Potopni grijač radi tako što šalje električnu energiju kroz otporni element unutar grijača. U mnogim industrijskim rezervoarima, tečnost oko njih je provodljiva, posebno kada se koriste za galvanizaciju ili hemijsku obradu.

Ako unutrašnji provodnik nije u potpunosti izoliran, električna energija može pobjeći u tekućinu. To bi predstavljalo značajne sigurnosne opasnosti, poremetilo procesnu hemiju i možda oštetilo opremu.

PTFE ima visoku dielektričnu čvrstoću i vrlo nisku sposobnost provođenja električne energije. Ovo sprečava kretanje struje u fluid oko grejnog elementa, što je ono što želite. Sposobnost izolacije električne energije jednako je ključna kao i sposobnost otpornosti na hemikalije u mnogim sistemima.

Nekoliko materijala nudi ovu kombinaciju hemijske inertnosti i električne izolacije u sistemima grijanja kada su prisutni i korozivni mediji i provodne tekućine.

Debljina zida i toplotna provodljivost
Ljudi često misle da PTFE "izolira od toplote" na isti način na koji izoluje od struje. Istina je da PTFE ne provodi toplotu tako dobro kao metali, ali to ne sprečava potopne grejače da dobro prenose toplotu.

Morate istovremeno gledati na toplotnu provodljivost i debljinu zida. U stvarnom životu, uranjajući grijači su napravljeni od PTFE omotača koji imaju zidove koji nisu previše debeli. PTFE omotač debljine samo jedan milimetar može prilično dobro prenijeti toplinu s unutrašnjeg otpornog elementa na tekućinu oko njega.

Temperaturna razlika između materijala i udaljenost koju toplina mora prijeći utječu na to koliko dobro prenosi toplinu. Čineći omotač što je moguće tanjim, dizajneri se postaraju da toplinski otpor ostane dovoljno nizak kako bi toplina mogla slobodno teći. Unutrašnji dio stvara toplinu, koja se kreće kroz PTFE sloj i ulazi u tekućinu.

PTFE nije tako provodljiv kao metal, međutim konstrukcija s tankim{0}}zinama to nadoknađuje. Rezultat je dosljedan i predvidljiv prijenos topline koji također štiti od korozije.

Otpornost na temperaturu i strukturalni integritet
PTFE je takođe prilično stabilan kada je u pitanju toplota. U zavisnosti od preciznog sastava i dizajna, može zadržati svoj mehanički integritet na temperaturama blizu 200 stepeni Celzijusa. Većina primjena kemijskog grijanja leži u ovom rasponu temperatura.

Ova temperaturna otpornost osigurava da se omotač ne omekša, slomi ili lomi dok se normalno koristi. Materijal ostaje fleksibilan i čvrst, tako da može podnijeti toplinsko širenje unutrašnjeg elementa bez loma.

U teškim hemijskim uslovima veoma je važno imati i temperaturnu stabilnost i hemijsku otpornost. Postoje neke plastike koje mogu izdržati hemikalije, ali se raspadaju kada temperatura poraste. Neki materijali mogu podnijeti toplinu, ali ne i kemikalije. PTFE ima oba ova kvaliteta, što je vrlo rijetko.

Omogućavanje grijanja na mjestima gdje metali ne mogu živjeti
Glavni razlog zašto se PTFE koristi u uranjajućim grijačima nije zato što ih čini brže zagrijanim, već zato što im omogućava da zagrijavaju mjesta do kojih bi inače bilo teško doći. Korozija bi brzo uništila element unutrašnjeg otpora da nije imao hemijski inertan zaštitni sloj.

Odabir materijala u elektrotermalnom inženjerstvu često znači donošenje izbora koji nisu uvijek jasni. Za grijanje čiste vode, omoti od nehrđajućeg čelika ili bakra mogu biti bolji u provođenju topline. Hemijska otpornost je, s druge strane, najvažnija stvar kod zagrijavanja snažnih kiselina ili otopina za oblaganje.

PTFE zadovoljava ovu potrebu i još uvijek omogućava da se toplina lako kreće kroz njega kada je pravilno izrađen. Njegov kapacitet da izoluje električnu energiju čini sistem još sigurnijim i pouzdanijim.

Znajući da je PTFE zaštitna barijera, a ne izvor topline, jasno je zašto je toliko važan u dizajnu uranjajućih grijača. Unutrašnji otporni element stvara toplinu, ali PTFE ga čini sigurnim i dugotrajnim-za slanje te topline u oštre hemijske uslove.

Sa jasno utvrđenom zaštitnom funkcijom, prirodno se nameće sljedeće tehničko razmatranje: kako toplinska energija stvorena unutar elementa putuje kroz PTFE omotač i ulazi u tekućinu i koji faktori utječu na efikasnost tog procesa prijenosa topline.