Huoneenlämmössä PTFE on kovaa, kestävää muovia. Mutta kun lämpötila nousee, sen mekaaniset ominaisuudet muuttuvat merkittävästi. Näiden muutosten ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta PTFE-sähkölämmittimiä voidaan käyttää turvallisesti ja niiden suunnittelun puitteissa. PTFE-lämmittimen vaippa ei tee vain kemiallista kestävyyttä,-sen on myös kestettävä ympäröivän nesteen painetta, kestettävä muodonmuutoksia ajan kuluessa ja säilytettävä muotonsa. Kaikki nämä mekaaniset toiminnot heikkenevät lämpötilan noustessa. ThePTFE:n mekaanisen lujuuden lämpötilavaikutuson siksi kriittinen näkökohta kaikille, jotka määrittelevät, asentavat tai käyttävät PTFE-sähkölämmittimiä.
Kuinka lämpötila muuttaa PTFE:n molekyylirakennetta
PTFE on puolikiteinen polymeeri. Huoneenlämpötilassa sen molekyyliketjut ovat tiiviisti pakattuina kiteisiin alueisiin, jotka ovat välissä amorfisten (häiriöisten) vyöhykkeiden kanssa. Tämä rakenne antaa PTFE:lle ominaisen lujuuden, alhaisen kitkan ja kemiallisen inertsyyden. Lämpötilan noustessa molekyylivärähtelyt lisääntyvät ja amorfiset alueet alkavat pehmetä ennen kuin kiteiset alueet sulavat.
PTFE:n jatkuva käyttörajoitus uppolämmittimien käytössä on laajalti hyväksytty110 astetta. Tämä raja ei ole mielivaltainen. Tämän lämpötilan yläpuolella kolme erillistä mekaanista muutosta kiihtyy nopeasti:
Vähentynyt vetolujuus– PTFE-vaipan venyttämiseen tai repeämiseen tarvittava voima pienenee merkittävästi.
Lisääntynyt ryyppy– Jatkuvassa kuormituksessa (kuten nestepaine tai vastuslangan sisäinen jännitys) PTFE muotoutuu hitaasti ajan myötä.
Pienempi paineenkesto– Vaippa on herkempi romahtamiseen tai ilmapalloon paine-eron vaikutuksesta.
On havaittu, että vaikka PTFE sulaa vasta 327 astetta, sen mekaaninen käyttökelpoisuus loppuu selvästi tämän pisteen alapuolelle. Sähkövastussovelluksissa 110 astetta edustaa jatkuvan toiminnan käytännöllistä ylärajaa.
Vetolujuuden vähentäminen lämpötilan noustessa
Vetolujuus on suurin jännitys, jonka materiaali voi kestää venytyksen aikana ennen rikkoutumista. PTFE:n osalta tämä ominaisuus laskee tasaisesti lämpötilan noustessa. Alla oleva taulukko näyttää likimääräiset arvot, jotka perustuvat standarditestimenetelmiin (ASTM D638).
| Lämpötila ( aste ) | Lämpötila ( aste F) | Likimääräinen vetolujuus (MPa) | Likimääräinen vetolujuus (psi) | Huoneen lämpötilan prosenttiosuus- |
|---|---|---|---|---|
| 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% |
Huomautus: Arvot ovat edustavia. Todellinen vetolujuus riippuu PTFE-laadusta, kiteisyydestä ja testiolosuhteista.
100 asteen kulmassa PTFE:n vetolujuus on noin puolet sen arvosta 23 asteessa. 110 asteessa se laskee noin 40 prosenttiin huoneen lämpötila-arvosta. Tämä dramaattinen vähennys tarkoittaa, että mikä tahansa mekaaninen rasitus-jopa nesteen paineesta, lämpölaajenemisesta tai käsittelystä-aiheuttaa todennäköisemmin vaurioita korkeissa lämpötiloissa.
Viruminen ja muodonmuutos kuormituksen alaisena
PTFE:n keskeinen rajoitus korkeissa lämpötiloissa on sen alttius virumiselle. Viruminen on ajasta-riippuva materiaalin muodonmuutos jatkuvassa kuormituksessa. Toisin kuin metallit, joilla on minimaalinen viruminen tietyn kynnyksen alapuolelle, PTFE hiipii missä tahansa ympäristön lämpötilassa. Virumisnopeus kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan myötä.
PTFE-lämmittimen vaipan asiaankuuluvia kuormia ovat:
Ulkoinen nestepaine– Syvissä säiliöissä hydrostaattinen paine voi olla 0,1 bar syvyysmetriä kohti. 2–3 metrin korkeudella tämä paine on vaatimaton, mutta yhdistettynä korkeaan lämpötilaan se voi aiheuttaa vaipan hitaasti luhistuvan tai kuoppaan.
Vastuslangan sisäiset jännitykset– Metallinen lämmityselementti on upotettu PTFE:hen. Metallin ja PTFE:n lämpölaajenemiserot aiheuttavat sisäisiä jännityksiä. Korkeissa lämpötiloissa PTFE lievittää näitä jännityksiä virumisen kautta, mikä voi muuttaa vaipan geometriaa.
Puristus- tai asennusvoimat– Kaikki lämmittimeen kohdistetut mekaaniset rajoitukset (esim. kannattimet, laipat tai tuet) aiheuttavat paikallisia jännityskeskittymiä. Viruminen voi saada PTFE:n virtaamaan pois korkeapainepisteistä, mikä johtaa löystymiseen tai tiivisteen rikkoutumiseen.
Käytännössä viruminen on harvoin katastrofaalista lyhyellä aikavälillä. 105 asteen kulmassa toimivassa lämmittimessä ei välttämättä ole näkyviä muodonmuutoksia kuukausiin tai jopa vuosiin. Ajan mittaan viruminen voi kuitenkin saada vaipan ohenemaan tietyillä alueilla, mikä heikentää dielektristä lujuutta ja mekaanista suojausta. Vielä kriittisemmin, PTFE-vaipan ja liittimen tiivisteen välisen rajapinnan viruminen voi avata tien kosteudelle tai syövyttäville höyryille päästä lämmittimeen.
Paineenkestävyys ja romahtamisen tai ilmapallon nousun vaara
PTFE-lämmittimen vaipat eivät ole paineastioita. Ne on suunniteltu toimimaan ilmakehän paineessa tai lähellä sitä sekä sisä- että ulkopuolella. Vastuslangan sisältävä sisäontelo ei ole paineistettu; se on täytetty PTFE:llä tai ilmalla ympäristön paineessa. On kuitenkin olemassa kaksi paineeseen liittyvää-vikatilaa:
Ulkoinen paine romahtaa– Jos ulkoinen nestepaine ylittää sisäisen paineen riittävällä marginaalilla, vaippa voi painua sisäänpäin. Tämä on todennäköisempää korkeissa lämpötiloissa, koska PTFE:n kimmomoduuli (jäykkyys) pienenee. Puristuminen nähdään tyypillisesti vaipan litistyneenä tai kuoppana osana.
Sisäinen paineilmapallo– Jos sisäontelo paineistuu juuttuneen kaasun laajenemisen tai kaasun poistumisen vuoksi, kuuma, pehmentynyt PTFE voi ilmaantua ulospäin. Tämä on harvinaisempaa, mutta voi tapahtua, jos lämmittimen sisällä oleva kosteus muuttuu höyryksi.
ThePTFE:n mekaanisen lujuuden lämpötilavaikutusohjaa suoraan molempia vikatiloja. 23 asteen lämpötilassa PTFE kestää useiden baarien paine-eron ilman pysyvää muodonmuutosta. 110 asteen kulmassa sama paine-ero voi aiheuttaa välittömän romahtamisen tai ilmapallon. Tästä syystä PTFE-lämmittimiä ei saa koskaan käyttää korkeapaineisissa ympäristöissä tai altistaa nopeille paineen muutoksille.
110 asteen jatkuvan rajan ylityksen seuraukset
Lyhytaikaiset kierrokset hieman yli 110 astetta voidaan sietää ilman välitöntä epäonnistumista. Kuitenkin toistuva tai pitkäaikainen käyttö tämän rajan yläpuolella voi aiheuttaa pysyviä vaurioita. Havaittuja seurauksia ovat:
Vaipan oheneminen ja paikalliset hotspotit– Viruminen sallii PTFE:n virrata pois kuumimmista alueista, mikä vähentää vaipan paksuutta. Ohuilla alueilla lämmönjohtavuus on korkeampi, mikä luo positiivisen takaisinkytkentäsilmukan, joka nopeuttaa paikallista ylikuumenemista.
Dielektrisen lujuuden menetys– Ohennetut vaippaosat vähentävät sähköeristysmarginaalia, mikä lisää rikkoontumisriskiä.
Pysyvä muodonmuutos– Kun PTFE on hiipinyt tai vääntynyt, jäähdytys ei palauta alkuperäistä muotoa. Kokoon painunutta tai ilmapalloon tunkeutunutta vaippaa ei voi korjata.
Tiivisteen vika– Kylmän alueen tiiviste riippuu PTFE-vaipan ja liitinkokoonpanon välisestä tiukasta sovituksesta. Viruminen voi vaarantaa tämän istuvuuden ja päästää nesteitä tai höyryjä sisään.
On tärkeää huomata, että 110 asteen raja koskee PTFE-vaipan lämpötilaa, ei välttämättä bulkkinesteen lämpötilaa. Hyvin -suunnitellussa lämmittimessä vaipan lämpötila on vain hieman korkeampi kuin nesteen lämpötila, koska lämpö siirtyy tehokkaasti vastuslangasta nesteeseen. Kuitenkin, jos wattitiheys (teho pinta-alayksikköä kohti) on liian korkea tai jos nesteen pinta laskee lämmitetyn osan alapuolelle, vaipan lämpötila voi nousta huomattavasti nesteen lämpötilan yläpuolelle, vaikka itse neste olisi alle 110 astetta.
Wattitiheyden vähennys{0}}korkean lämpötilan palveluun
KoskaPTFE:n mekaanisen lujuuden lämpötilavaikutusheikentää materiaalin kykyä kestää rasitusta, lähellä 110 astetta käytettäväksi tarkoitettujen sähkövastusten on toimittava pienemmällä wattitiheydellä kuin alhaisemmissa lämpötiloissa käytettävien lämmittimien. Wattitiheys on teho lämmityspinnan pinta-alayksikköä kohti, tyypillisesti ilmaistuna watteina neliötuumaa kohti (W/in²) tai watteina neliösenttimetriä kohti (W/cm²).
Yleiset ohjeet PTFE-sähkölämmittimille ovat:
Jopa 60 astetta (140 astetta F)– Wattitiheydet 25–30 W/in² (3,9–4,7 W/cm²) ovat hyväksyttäviä.
60–90 astetta (140–194 astetta F)– Wattitiheydet tulee vähentää arvoon 15–20 W/in² (2,3–3,1 W/cm²).
90–110 astetta (194–230 astetta F)– Wattitiheyksiä tulee edelleen pienentää arvoon 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).
Yli 110 astetta (230 astetta F)– PTFE-sähkölämmittimiä ei yleensä suositella jatkuvaan käyttöön.
Käytännössä näitä arvoja on säädettävä sovelluksen mukaan. Sekoitettavat kylvyt, joilla on korkea lämmönsiirtokerroin, voivat sietää suurempia wattitiheyksiä. Pysyvät tai viskoosi nesteet vaativat pienemmän wattitiheyden. Tavoitteena on varmistaa, että PTFE-vaipan lämpötila ei koskaan ylitä 110 astetta missään kohdassa, mukaan lukien kuumimmat kohdat sisäisen vastuslangan lähellä.
Lämpötilan säätö suojatoimenpiteenä
110 asteen rajan noudattaminen edellyttää tarkkaa lämpötilamittausta ja luotettavaa ohjausta. Upotettavat lämmittimet tulee varustaa lämpötila-anturilla (termopari tai RTD), joka on sijoitettu mahdollisimman lähelle lämmityselementtiä tai PTFE-vaipan sisään. Säätimelle tulee asettaa suurin sallittu lämpötilaraja, ja korkean-rajan turvakatkaisu tulee tarjota varana.
On havaittu, että monet ennenaikaiset PTFE-lämmittimen viat eivät johdu liian korkeasta asetusarvosta, vaan paikallisesta ylikuumenemisesta. Paikallista ylikuumenemista aiheuttavia tekijöitä ovat:
Matala nestetaso altistaa osan kuumennetusta vaipasta ilmalle.
Vaipan pinnalla oleva kalkki tai likaantuminen vähentää lämmönsiirtoa.
Huono kierto, mikä aiheuttaa pysähtyneitä vyöhykkeitä lämmittimen ympärille.
Suuri wattitiheys luo suuren lämpötilagradientin sisäisen langan ja vaipan pinnan välille.
Jokainen näistä tekijöistä voi nostaa vaipan lämpötilan vahingollisille tasoille silloinkin, kun bulkkinesteen lämpötila pysyy alle 110 asteen.
Johtopäätös
Käyttölämpötila vaikuttaa suoraan PTFE-vaipan mekaaniseen eheyteen. ThePTFE:n mekaanisen lujuuden lämpötilavaikutusaiheuttaa sen, että materiaali menettää vetolujuuden, tulee alttiimmaksi virumiselle ja vähentää sen paineenkestävyyttä lämpötilan noustessa ympäristön yläpuolelle. Jatkuvalla käyttörajalla 110 astetta PTFE säilyttää vain noin 40 % huoneenlämpötilastaan{3}}vetolujuudestaan, ja virumisnopeudet ovat riittävän merkittäviä aiheuttamaan pitkäaikaista muodonmuutosta.
110 asteen rajaa ei pidä kunnioittaa abstraktina määrittelynä vaan mekaanisena välttämättömyytenä. Tämän rajan ylittäminen vaarantaa vaipan romahtamisen, ilmapallon halkeamisen, ohenemisen, tiivisteen rikkoutumisen ja mahdollisen sähkökatkon. Lämpötilan säätö ja oikea wattitiheys ovat siksi välttämättömiä lämmittimen käyttöiän säilyttämiseksi. Toimimalla suunnitellussa lämpötila-alueella ja varmistamalla riittävät lämmönsiirtoolosuhteet, PTFE-vaippa voi säilyttää mekaanisen lujuutensa ja jatkaa sisäisen lämmityselementin suojaamista vuosien luotettavan käytön ajan.
