Hva er effekten av driftstemperatur på den mekaniske styrken til PTFE-varmekapper?

PTFE er et sterkt, slitesterkt materiale ved romtemperatur. Imidlertid endres dens mekaniske egenskaper dramatisk når temperaturen øker. Det er viktig å forstå disse endringene for å kunne betjene PTFE-dykkevarmere på riktig måte innenfor designkonvolutten. Kappen til en PTFE-varmer gjør mer enn bare å gi kjemisk motstand. Den må også motstå trykket fra den omgivende væsken, motstå deformasjon over tid og beholde formen. Alle disse mekaniske funksjonene forringes med økende temperatur. Derfor er påvirkningen av temperatur på PTFEs mekaniske styrke en viktig bekymring for alle som spesifiserer, installerer eller bruker PTFE-dykkevarmere.

Hvordan temperatur påvirker den molekylære strukturen til PTFE
PTFE er en semikrystallinsk polymer. I krystallinske seksjoner, som er ispedd amorfe (uordnede) deler, er molekylkjedene tett pakket ved romtemperatur. Denne strukturen gir PTFE sin typiske styrke, lave friksjon og kjemiske treghet. Når temperaturen stiger, øker de molekylære vibrasjonene og de amorfe delene begynner å myke før de krystallinske delene smelter.

Den generelt avtalte maksimale kontinuerlige brukstemperaturen for PTFE i el-varmeanlegg er 110ºC. Denne grensen er ikke lunefull. Ved denne temperaturen skjer tre separate mekaniske transformasjoner raskt:

Mindre strekkstyrke - Mengden innsats som kreves for å strekke eller rive PTFE-hylsteret er sterkt redusert.

Økt kryp - Under konstant belastning (f.eks. væsketrykk eller indre kraft fra motstandstråden), vil PTFE bøye seg sakte med tiden.

• Lavere trykkmotstand - Hylsen er mer utsatt for å kollapse eller ballonger under differensialtrykk.

Det er funnet at PTFE ikke smelter før 327 grader selv om dens mekaniske nytte er over lenge før det. For bruk med el-varmer er den mulige øvre grensen for kontinuerlig drift 110 grader.

Endring i strekkstyrke med temperatur
Strekkfasthet er den høyeste strekkspenningen (strekk) et materiale kan tåle før det går i stykker. For PTFE avtar denne egenskapen monotont med temperaturen. Tabellen nedenfor er relatert til omtrentlige verdier fra konvensjonelle testprosedyrer (ASTM D638).

Temperatur ( grad ) Temperatur ( grad F) Omtrentlig strekkstyrke (MPa) Omtrentlig strekkstyrke psi % av verdi ved romtemperatur.
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% 
Merk: Verdiene er veiledende. Den faktiske strekkstyrken avhenger av PTFE-kvaliteten, krystalliniteten og testforholdene.

Strekkfastheten til PTFE ved 100 grader er omtrent halvparten av den ved 23 grader. Ved 110 grader faller den til rundt 40 % av omgivelsestemperaturverdien. Den betydelige reduksjonen i mekanisk stress, enten det er på grunn av væsketrykk, termisk ekspansjon eller håndtering, gjør skade ved høye temperaturer langt mer sannsynlig.

Kryp og lastdeformasjon
En stor ulempe med PTFE ved høye temperaturer er dens tendens til å krype. Kryp er forvrengning av et stoff over tid under konstant belastning. Mens metaller har en lavere temperatur for kryp, vil PTFE krype ved enhver temperatur over omgivelsene. Krypehastigheten vokser eksponentielt med temperaturen.

For PTFE-varmekappen er gjeldende belastninger:

Ytre væsketrykk - Hydrostatisk trykk i dype tanker kan være så høyt som 0,1 bar per meter dybde. Dette trykket er minimalt ved 2-3 meter, men når det kobles sammen med forhøyet temperatur kan det føre til at kappen sakte kollapser eller groper.

Interne belastninger fra motstandstråden - Metallvarmeelementet er innebygd i PTFE. Differensiell termisk ekspansjon av metall og PTFE forårsaker indre spenninger. Ved høy temperatur avlaster PTFE disse spenningene ved krypning som kan endre formen på kappen.

Klemme- eller monteringskrefter - Enhver mekanisk tilbakeholdenhet som brukes på varmeren (som braketter, flenser eller støtter) kan forårsake lokale spenningskonsentrasjoner. Krypning kan føre til at PTFE-en flyter bort fra punkter med høyt trykk og forårsake løsnede eller forseglingsfeil.

Kryp er sjelden katastrofalt på kort sikt i praksis. En varmeovn på 105 grader kan ikke vise noen åpenbar forvrengning på måneder eller år. Men krypet over tid kan føre til at kappen blir tynnere på spesifikke steder, og reduserer dielektrisk styrke og mekanisk beskyttelse. Mer kritisk kan kryp ved kontakten mellom PTFE-kappen og terminalpakningen tillate passasje for fuktighet eller korrosive damper for å nå varmeren.

Kollaps- eller ballongfare og motstand mot trykk
PTFE varmekapper er ikke trykkbeholdere. De er designet for å operere ved eller nær atmosfæretrykk internt og eksternt. Det indre kammeret der motstandstråden er plassert er ikke under trykk, den er fylt med PTFE eller luft ved omgivelsestrykk. Trykkrelaterte to feilmekanismer er som følger:

Eksternt trykkkollaps - Hvis det ytre væsketrykket er mye høyere enn det indre trykket, kan kappen kollapse innover. Dette er mer sannsynlig ved høyere temperaturer fordi elastisitetsmodulen (stivheten) til PTFE er redusert. En kollaps er vanligvis tatt til å bety en flat eller fordypning del av skjeden.

Intern trykkballong - Den varme, myknede PTFE-en kan ballongere utover hvis det indre hulrommet kommer under trykk på grunn av utgassing eller innestengt gassekspansjon. Mindre vanlig, men mulig med fuktigheten inne i varmeren som blir til damp.

Begge feiltyper styres direkte av PTFE-temperatureffekten for mekanisk styrke. PTFE tåler et differensialtrykk på flere bar ved 23 grader uten permanent deformasjon. Ved 110 grader kan det samme differensialtrykket gi øyeblikkelig kollaps eller ballongdannelse. Derfor bør ikke PTFE-varmere brukes til høytrykksapplikasjoner eller hvor raske trykkendringer kan forekomme.

Effekter av å overskride den kontinuerlige 110 graders grensen
Korte utflukter til litt over 110 grader kan tolereres uten rask svikt. Men hvis du gjentatte ganger overskrider denne grensen eller i lang tid, kan du forårsake varig skade. De observerte konsekvensene inkluderer:

Skjedefortynning og lokaliserte hotspots: Krypning gjør at PTFE kan strømme bort fra de varmeste områdene, og tynnere hylsteret. Tynnere områder har høyere varmeledningsevne. Denne positive tilbakemeldingssløyfen resulterer i en raskere oppvarming av lokale hot spots.

Tap av dielektrisk styrke - Tynne deler av kappen reduserer marginen for elektrisk isolasjon og øker faren for sammenbrudd.

Permanent deformasjon - Når PTFE har krøpet eller vridd seg, vil ikke avkjøling bringe det tilbake til sin opprinnelige form. Det er ingen måte å fikse en kollapset eller oppblåst kappe.

Forseglingsfeil - Forseglingen i den kalde sonen er avhengig av en god passform mellom PTFE-hylsteret og terminalenheten. Kryp kan løsne denne passformen og la væske eller damp komme inn.

Det skal bemerkes at grensen på 110 grader er for PTFE-manteltemperaturen, ikke nødvendigvis bulkvæsketemperaturen. I en riktig bygget varmeovn er kappetemperaturen bare litt høyere enn væsketemperaturen på grunn av den effektive overføringen av varme fra motstandstråden til væsken. Men med høy watttetthet (effekt per overflateenhet) eller med et væskenivå under den oppvarmede delen, kan kappetemperaturen overstige væsketemperaturen med stor margin, selv når selve væsken er under 110 grader.

Høy-Temperature Service Watt Density De-Vurdering
Den mekaniske styrken til PTFE er temperatur-avhengig, og dette påvirker materialets kapasitet til å motstå stress, og av denne grunn må varmeovner som er beregnet på å gå på nær 110 grader ha lavere watttetthet enn varmeovner som brukes ved lavere temperaturer. Watttetthet er utgangseffekten per område av varmeoverflaten og er vanligvis representert i watt per kvadrattomme (W/in 2 ) eller watt per kvadratcentimeter (W/cm 2 ).

De generelle retningslinjene for PTFE el-patroner er:

Akseptable watttettheter opptil 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 watttettheter på 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90–110 grader (194–230 grader F) – Ytterligere reduksjon i watttettheter til 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²) er nødvendig.

Over 110 grader (230 grader F) - PTFE el-varmere anbefales ofte ikke for langvarig bruk.

I praksis må disse verdiene justeres for den spesifikke applikasjonen. Høyere watttettheter kan tolereres i omrørte bad med høye varmeoverføringskoeffisienter. Lavere watttettheter er nødvendig for stillestående eller viskøse væsker. Målet er å garantere at temperaturen på PTFE-kappen ingen steder er mer enn 110 grader, selv på de varmeste stedene nær den indre motstandsledningen.

Temperaturkontroll som beskyttelse
For å overholde grensen på 110 grader er nøyaktig temperaturmåling og pålitelig kontroll nødvendig. El-varmere bør ha en temperatursensor (termoelement eller RTD) så nært varmeelementet som mulig, eller inne i PTFE-kappen. Legg til en høy-sikkerhetsutkobling som en sikkerhetskopi til en maksimalt tillatt temperaturbegrensning på kontrolleren.

Det har blitt oppdaget at de fleste for tidlige PTFE-varmerfeil ikke er forårsaket av at settpunkttemperaturen er for høy, men av lokal overoppheting. Faktorer som resulterer i lokal overoppheting:

Lavt væskenivå som utsetter en del av den oppvarmede kappen for luft.

Tilsmussing på kappeoverflaten, noe som fører til redusert varmeoverføring.

Dårlig luftstrøm rundt varmeren som resulterer i stillestående områder.

Høy watttetthet som resulterer i en høy temperaturgradient mellom den indre ledningen og overflaten av kappen.

En hvilken som helst av disse forholdene kan øke kappetemperaturen til skadelige nivåer selv mens bulkvæsketemperaturen er under 110 grader.

Konklusjoner
Driftstemperaturen påvirker direkte den mekaniske integriteten til PTFE-kappen. Temperaturens innflytelse på den mekaniske styrken til PTFE resulterer i tap av strekkfasthet, økning av mottakelighet for krypning og reduksjon av trykkmotstanden til materialet ved temperaturer over omgivelsestemperatur. Ved den kontinuerlige bruksgrensen på 110 grader beholder PTFE bare omtrent 40 % av romtemperaturens strekkstyrke, og krypehastigheten blir betydelig nok til å indusere langsiktig deformasjon.

110C-grensen er ikke et vilkårlig tall, men en mekanisk grense. Overskridelse av denne grensen kan forårsake kappekollaps, ballongdannelse, tynning, forseglingsfeil og endelig elektrisk sammenbrudd. Temperaturkontroll og riktig watttetthet er derfor avgjørende for å opprettholde varmeapparatets levetid. Når den brukes i temperaturmiljøet som den ble designet for og med akseptable varmeoverføringsforhold, vil PTFE-kappen beholde sin mekaniske styrke og beskytte det interne varmeelementet i årevis med pålitelig drift.