Hvordan påvirker den termiske ekspansjonskoeffisienten til PTFE varmeapparatets montering og støttedesign?

Når en PTFE el-varmer varmer opp fra omgivelsestemperatur til driftstemperatur, øker lengden betydelig. Hvis varmeren holdes godt fast i begge ender, forårsaker denne utvidelsen store indre belastninger. Denne bevegelsen må tas i betraktning ved korrekt montering av varmeapparatet, og er en viktig funksjon som ofte ignoreres i industrielle systemer.

PTFE-koeffisient for termisk utvidelse
Termisk utvidelseskoeffisient (CTE) måler hvor mye et materiale vil utvide seg eller trekke seg sammen for hver grad av temperaturendringer. PTFE har en relativt høy CTE-omtrent 120 × 10⁻⁶ per grad Celsius (120 ppm per grad ). Til sammenligning har rustfritt stål (304 og 316) en CTE på ca. 17*10^-6/C. Så PTFE vil utvide seg rundt 7 ganger mer enn stål for samme temperaturøkning.

Det praktiske resultatet er fantastisk. En 1 meter lang PTFE-varmer oppvarmet fra en romtemperatur på 20 grader til en typisk driftstemperatur på 100 grader utvides med omtrent:

ΔL=L 0 × CTE × ΔT=1.0 m × 120×10 −6 / grad × 80 grader=0.0096 m ≈ 9,6 mm

For en fast festet komponent er en endring på omtrent 10 mm per meter lengde svært betydelig. For større varmeovner, 3 eller 4 meter lange, kan den totale utvidelsen være så mye som 30–40 mm.

Materialkoeffisient for termisk ekspansjon (×10-6/ grad) ved 20-100 grader Ekspansjon per meter per 80 grader Økning PTFE 120 – 130 ≈9,6 – 10,4 mm
PFA 120 – 140 ≈9,6 – 11,2 mm
Rustfritt stål (304/316) 16 – 18 ≈1,3 – 1,4 mm
Titan (Klasse 2) 8 – 9 ≈0,6 – 0,7 mm
PFA er en annen fluorpolymer som har en tilsvarende høy ekspansjonskoeffisient. Noen spesialiserte metallvarmere bruker titan, som utvider seg enda mindre enn rustfritt stål. Forskjellen mellom PTFE og ethvert metallmantelmateriale eller intern metallkjerne er svimlende.

Problemet med montering forårsaket av høy ekspansjon av PTFE
Generelt har en PTFE-dyppevarmer en innvendig metallmotstandstråd eller -kjerne. Metallkjernen ekspanderer med en hastighet på omtrent en-syvendedel av den omkringliggende PTFE-kappen. Når varmeren varmes opp, ønsker PTFE å utvide seg betydelig mer enn metallkjernen inne i den. Denne differensielle ekspansjonen forårsaker interne skjærspenninger i grensesnittet mellom PTFE og metall.

Hvis varmeren også er eksternt begrenset (med harde klemmer, braketter eller flenser i begge ender), kan ikke PTFE-kappen ekspandere fritt i aksial retning. Den mekaniske spenningen som skapes på denne måten fører til en rekke feilmoduser:

Knekking eller bøying - PTFE-kappe er mykere enn metall og vil derfor ha en tendens til å spenne seg utover på midten, og lage en buet eller bølget form som kan treffe tankvegger eller andre varmeovner.

Sprekkdannelse ved spenningskonsentrasjonssteder - Stive klemmer eller skarpe støttekanter er spenningsstige. PTFE ekspanderer og presser mot disse faste punktene, noe som kan føre til at det dannes sprekker og sprer seg gjennom kappen.

Trekk- vekk fra den interne metallkjernen - Differensiell ekspansjon av PTFE og metallkjernen, sammen med ytre begrensninger, kan føre til at PTFE trekker vekk fra metallavslutningene eller kryper bort fra kjernen, og utsetter motstandstråden for korrosive prosessvæsker.

En vanlig feil i industrielle installasjoner er å behandle en PTFE-varmer som en metallvarmer, dvs. feste den med et antall solide støtter langs lengden eller klemme den i både topp- og bunnenden. Denne typen taktikk er nesten garantert å mislykkes tidlig.

Praktiske retningslinjer for installasjon av PTFE termiske ekspansjonsvarmer
Den grunnleggende forutsetningen for montering av termiske ekspansjonsvarmer av PTFE er å la varmeren utvide seg og trekke seg sammen fritt i lengden, men fortsatt forbli på tiltenkt plass i tanken eller karet. Anbefalte teknikker inkluderer:

Monteres kun i den ene enden.
Varmeren skal monteres stivt på kun ett sted – ofte terminalenden (den kalde enden der de elektriske tilkoblingene er laget). På den annen side bør den oppvarmede lengden være helt fri til å gli eller bevege seg. Ingen ekstra klemmer, braketter eller føringer skal monteres langs lengden av PTFE-røret.

Sørg for aksial bevegelse over--sidebrakettene
Hvis det brukes en monteringsbrakett over--siden, bør ikke braketten klemme PTFE-hylsteret stivt. I stedet bør det lages en løs-føring eller et slissearrangement som holder varmeren vertikalt, men lar PTFE bevege seg aksialt gjennom braketten når temperaturen varierer. Du kan begynne med en klaring på ca. 2-3 mm mellom kappen og brakettens hull.

Unngå for stive L- og U-konfigurasjoner
Noen ganger brukes L--formede varmeovner (med et horisontalt og et vertikalt ben) for visse tankdesigner. Hvis de to bena, horisontale og vertikale, er godt festet i endene, virker utvidelsen av det ene benet mot det andre, og hjørnet utsettes for betydelige bøyebelastninger. Faktisk bør den L--formede PTFE-varmeren være utformet med ett ben fritt til å bevege seg, eller hjørnet bør ha en fleksibel overgang (f.eks. større bøyningsradius) for å absorbere differensiell ekspansjon.

Ledig endeplass for utvidelse
En varmeovn på 1-meter som utvider seg 10 mm trenger minst 10 mm tom plass i den frie enden. For en varmeovn som henges vertikalt, betyr dette at bunnen av varmeren ikke skal berøre bunnen av tanken eller noe inne i tanken. En avstand på 20-30 mm anbefales for å kompensere for produksjonstoleranser og mulige overtemperaturavvik.

Bruk fleksible ledninger i stedet for stiv ledning festet til kappen
Ledningene fra terminalenden av den elektriske forsyningen må være fleksible nok til å tillate beskjeden bevegelse av terminalenheten når varmeren utvides og trekker seg sammen. Stiv metallkanal, når den kobles direkte til terminalhuset, kan overføre bevegelseskrefter til tilkoblingspunktet, noe som kan skade terminalene.

Hva skjer når utvidelsen er begrenset?
Felterfaring indikerer at begrenset termisk ekspansjon er en av hovedårsakene til PTFE-varmerfeil etter elektrisk overbelastning. Vanlige tegn på feil inkluderer:

Skjerbøyning - Visuell inspeksjon med en serpentin- eller bølgeform.

Langsgående sprekker - sprekker parallelt med varmeapparatets akse, som vanligvis begynner i nærheten av monteringsklemmer.

Terminalendeseparasjon - PTFE-hylsteret glir bort fra terminalinnstøpingsmassen og eksponerer motstandstråden eller tillater en kanal for væskepenetrering.

Innvendig ledningsbrudd - Sykluser av ekspansjon og sammentrekning, når de holdes fast, trette den indre motstandstråden på stedet for inngang til PTFE-hylsen.

Monteringsutstyret skal ikke komprimere PTFE-kappen radialt. PTFE kryper under konstant trykkspenning. En slangeklemme eller rørklemme som er klemt rundt PTFE-en vil til slutt slappe av ettersom materialets kulde-flyter bort fra klemmen og det ujevne trykket kan føre til brudd.

Konklusjon: God installasjonspraksis er like viktig som varmeapparatets kvalitet
Den termiske ekspansjonskoeffisienten til PTFE er omtrent syv ganger høyere enn for rustfritt stål. En 1-m lengde PTFE-varmer strekker seg omtrent 10 mm når den varmes opp fra omgivelsestemperatur til 100 grader. Hvis denne utvidelsen begrenses, resulterer de mekaniske påkjenningene som utvikler seg i knekking, brudd eller borttrekkssvikt i PTFE-kappen.

Riktig PTFE termisk ekspansjonsvarmerfeste krever et enkelt fast punkt, vanligvis ved terminalenden, med resten av varmeren fri til å bevege seg aksialt. Skyving bør være tillatt over-sideparentesene; L-formede arrangementer bør ikke ha to begrensninger; og det skal være nok plass i den frie enden. Disse designteknikkene er ikke valgfrie forbedringer, men kritiske for lang levetid. Kvaliteten på varmeren er avgjørende, men det er også gode installasjonsprosedyrer. Når de mekaniske effektene av termisk ekspansjon er riktig adressert, gir PTFE el-varmere full kjemisk motstand og elektrisk isolasjonsfordeler uten kompromisser.