Çalışma Sıcaklığının PTFE Isıtıcı Kılıflarının Mekanik Dayanımına Etkisi Nedir?

PTFE oda sıcaklığında güçlü ve dayanıklı bir malzemedir. Ancak sıcaklık arttıkça mekanik özellikleri önemli ölçüde değişir. Bu değişikliklerin anlaşılması, PTFE daldırmalı ısıtıcıların tasarım sınırları dahilinde doğru şekilde çalıştırılması için önemlidir. Bir PTFE ısıtıcının kılıfı sadece kimyasal direnç sağlamaktan fazlasını yapar. Aynı zamanda çevredeki sıvının basıncına da dayanmalı, zamanla deformasyona direnmeli ve şeklini korumalıdır. Sıcaklık arttıkça tüm bu mekanik işlevler bozulur. Bu nedenle, sıcaklığın PTFE mekanik mukavemeti üzerindeki etkisi, PTFE daldırma ısıtıcılarını belirleyen, kuran veya çalıştıran herkes için önemli bir husustur.

Sıcaklık PTFE'nin Moleküler Yapısını Nasıl Etkiler?
PTFE yarı kristal bir polimerdir. Amorf (düzensiz) kısımların serpiştirildiği kristal bölümlerde, moleküler zincirler oda sıcaklığında sıkı bir şekilde paketlenir. Bu yapı PTFE'ye tipik gücünü, düşük sürtünmesini ve kimyasal inertliğini verir. Sıcaklık arttıkça moleküler titreşimler artar ve kristalin kısımlar erimeden önce amorf kısımlar yumuşamaya başlar.

Daldırma ısıtıcı servisinde PTFE'nin genel olarak kabul edilen maksimum sürekli kullanım sıcaklığı 110°C'dir. Bu sınır kaprisli değildir. Bu sıcaklıkta üç ayrı mekanik dönüşüm hızla gerçekleşir:

Daha Az Gerilme Mukavemeti - PTFE kılıfını germek veya yırtmak için gereken çaba miktarı büyük ölçüde azalır.

Artan sürünme - Sabit bir yük altında (örn. sıvı basıncı veya direnç telinden gelen iç kuvvet), PTFE zamanla yavaş yavaş esneyecektir.

• Daha düşük basınç direnci - Kılıf, diferansiyel basınç altında çökmeye veya balonlaşmaya daha yatkındır.

PTFE'nin 327 dereceye kadar erimediği ancak bundan çok daha önce mekanik faydasının bittiği tespit edilmiştir. Daldırma ısıtıcı uygulamalarında sürekli çalışma için uygun üst sınır 110 derecedir.

Çekme Dayanımının Sıcaklıkla Değişimi
Çekme mukavemeti, bir malzemenin kırılmadan önce alabileceği en yüksek çekme (esneme) gerilimidir. PTFE için bu özellik sıcaklıkla birlikte monoton bir şekilde azalır. Aşağıdaki tablo geleneksel test prosedürlerinden (ASTM D638) elde edilen yaklaşık değerlerle ilgilidir.

Sıcaklık (derece) Sıcaklık (derece F) Yaklaşık Çekme Dayanımı (MPa) Oda Sıcaklığında Yaklaşık Gerilme Dayanımı Değerinin psi%'si.
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% 
Not: Değerler gösterge niteliğindedir. Gerçek çekme mukavemeti PTFE kalitesine, kristalliğine ve test koşullarına bağlıdır.

PTFE'nin 100 derecede çekme mukavemeti 23 dereceden yarısı kadardır. 110 derecede ortam sıcaklığı değerinin %40 civarına düşer. Sıvı basıncı, termal genleşme veya taşıma nedeniyle mekanik gerilimdeki önemli azalma, yüksek sıcaklıklarda hasar olasılığını çok daha muhtemel hale getirir.

Sürünme ve yük deformasyonu
Yüksek sıcaklıklarda PTFE'nin önemli bir dezavantajı sürünme eğilimidir. Sürünme, bir maddenin sabit bir yük altında zamanla bozulmasıdır. Metallerin sürünme sıcaklığı daha düşük olmasına rağmen, PTFE ortam sıcaklığının üzerindeki her sıcaklıkta sürünecektir. Sürünme hızı sıcaklıkla birlikte üstel olarak artar.

PTFE ısıtıcı kılıfı için geçerli yükler şunlardır:

Harici sıvı basıncı - Derin tanklardaki hidrostatik basınç, metre derinlik başına 0,1 bar'a kadar çıkabilir. Bu basınç 2-3 metrede minimum düzeydedir ancak yüksek sıcaklıkla birleştiğinde kılıfın yavaş yavaş çökmesine veya çukurlaşmasına neden olabilir.

Direnç telinden kaynaklanan iç gerilimler - Metal ısıtma elemanı PTFE'nin içine yerleştirilmiştir. Metal ve PTFE'nin farklı termal genleşmesi iç gerilimlere neden olur. Yüksek sıcaklıklarda PTFE, kılıfın şeklini değiştirebilecek sürünme yoluyla bu gerilimleri hafifletir.

Sıkıştırma veya montaj kuvvetleri - Isıtıcıya uygulanan herhangi bir mekanik kısıtlama (braketler, flanşlar veya destekler gibi) yerel gerilim yoğunlaşmalarına neden olabilir. Sürünme, PTFE'nin yüksek basınç noktalarından akmasına neden olabilir ve gevşemeye veya contanın bozulmasına neden olabilir.

Sürünme pratikte kısa vadede nadiren felaketle sonuçlanır. 105 derecelik bir ısıtıcı aylarca, hatta yıllarca belirgin bir bozulma göstermeyebilir. Ancak zamanla sünme, kılıfın belirli yerlerde incelmesine, dielektrik dayanımın ve mekanik korumanın azalmasına neden olabilir. Daha da önemlisi, PTFE kılıf ile terminal contası arasındaki temastaki sürünme, nemin veya aşındırıcı buharların ısıtıcıya ulaşmasına izin verebilir.

Çökme veya Balonlaşma Riskleri ve Basınca Direnç
PTFE ısıtıcı kılıfları basınç kapları değildir. Dahili ve harici olarak atmosferik basınçta veya buna yakın bir basınçta çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Direnç telinin bulunduğu iç bölme basınçlandırılmaz, PTFE veya ortam basıncındaki hava ile doldurulur. Basınçla ilgili iki arıza mekanizması aşağıdaki gibidir:

Dış basınç çökmesi - Dış sıvı basıncı iç basınçtan çok daha yüksekse kılıf içe doğru çökebilir. PTFE'nin elastik modülü (sertliği) azaldığı için bu durum daha yüksek sıcaklıklarda daha olasıdır. Çökme genellikle kılıfın düzleştirilmiş veya çukurlu kısmı anlamına gelir.

İç basınç balonlaşması - Sıcak, yumuşatılmış PTFE, gaz çıkışı veya sıkışan gaz genleşmesi nedeniyle iç boşlukta basınç oluşması durumunda dışarı doğru balonlaşabilir. Daha az yaygın olmakla birlikte ısıtıcının içindeki nemin buhara dönüşmesiyle mümkündür.

Her iki arıza türü de doğrudan PTFE mekanik mukavemet sıcaklık etkisi ile kontrol edilir. PTFE, kalıcı bir deformasyon olmadan 23 derecede birkaç barlık diferansiyel basınca dayanabilir. 110 derecede aynı diferansiyel basınç anında çökmeye veya balonlaşmaya neden olabilir. Bu nedenle PTFE ısıtıcılar yüksek basınçlı uygulamalarda veya hızlı basınç değişikliklerinin olabileceği yerlerde kullanılmamalıdır.

Sürekli 110 derece sınırını aşmanın etkileri
110 derecenin biraz üzerindeki kısa geziler, hızlı bir arıza olmadan tolere edilebilir. Ancak bu sınırı defalarca veya uzun süre aşarsanız kalıcı hasara neden olabilirsiniz. Gözlemlenen sonuçlar şunları içerir:

Kılıf incelmesi ve yerel sıcak noktalar: Sünme, PTFE'nin en sıcak bölgelerden akarak kılıfı inceltmesine olanak tanır. Daha ince bölgeler daha yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Bu pozitif geri besleme döngüsü, yerel sıcak noktaların daha hızlı ısınmasına neden olur.

Dielektrik mukavemet kaybı - Kılıfın inceltilmiş kısımları elektrik yalıtımı marjını azaltır ve arıza tehlikesini artırır.

Kalıcı deformasyon - PTFE bir kez süzüldükten veya büküldükten sonra soğutma onu orijinal şekline geri getirmeyecektir. Çöken veya şişmiş bir kılıfı düzeltmenin bir yolu yoktur.

Conta arızası - Soğuk bölgedeki conta, PTFE kılıf ile terminal düzeneği arasındaki iyi oturmaya bağlıdır. Sürünme bu uyumu gevşetebilir ve sıvı veya buharın içeri girmesine izin verebilir.

110 derecelik limitin, toplu sıvı sıcaklığı için değil, PTFE kılıf sıcaklığı için olduğu unutulmamalıdır. Doğru şekilde oluşturulmuş bir ısıtıcıda, ısının direnç telinden sıvıya etkili bir şekilde aktarılması nedeniyle kılıf sıcaklığı, sıvı sıcaklığından biraz daha yüksektir. Ancak yüksek watt yoğunluğunda (birim yüzey alanı başına güç) veya ısıtılan parçanın altındaki sıvı seviyesiyle, sıvının kendisi 110 derecenin altında olsa bile kılıf sıcaklığı, sıvı sıcaklığını büyük bir farkla aşabilir.

Yüksek-Sıcaklık Hizmeti Watt Yoğunluğu Düşüşü-Derecesi
PTFE'nin mekanik gücü sıcaklığa- bağlıdır ve bu, malzemenin strese direnme kapasitesini etkiler ve bu nedenle, 110 dereceye yakın bir sıcaklıkta çalışması amaçlanan daldırma ısıtıcıların, daha düşük sıcaklıklarda kullanılan ısıtıcılardan daha düşük watt yoğunluklarına sahip olması gerekir. Watt yoğunluğu, ısıtma yüzeyinin alanı başına güç çıkışıdır ve genellikle inç kare başına watt (W/in2) veya santimetre kare başına watt (W/cm2) cinsinden temsil edilir.

PTFE daldırma ısıtıcıları için genel kurallar şunlardır:

60 dereceye (140 derece F) kadar sıcaklıklarda 25-30 W/in2'ye (3,9-4,7 W/cm2) varan kabul edilebilir watt yoğunlukları.

60–90 derece (140-194 derece F) – 15–20 W/in2 (2,3–3,1 W/cm2) değerinde düşük watt yoğunlukları.

90-110 derece (194–230 derece F) – Watt yoğunluklarının 10–15 W/in²'ye (1,6–2,3 W/cm²) daha da düşürülmesi gerekir.

110 derecenin (230 derece F) üzerinde - PTFE daldırmalı ısıtıcıların uzun süreli kullanımı genellikle tavsiye edilmez.

Pratikte bu değerlerin spesifik uygulamaya göre ayarlanması gerekir. Yüksek ısı transfer katsayılarına sahip çalkalama banyolarında daha yüksek watt yoğunlukları tolere edilebilir. Durgun veya viskoz sıvılar için daha düşük watt yoğunluklarına ihtiyaç vardır. Amaç, PTFE kılıfın sıcaklığının hiçbir yerde, hatta iç direnç telinin yakınındaki en sıcak yerlerde bile 110 dereceden fazla olmamasını garanti etmektir.

Koruma Olarak Sıcaklık Kontrolü
110 derece sınırına uymak için doğru sıcaklık ölçümü ve güvenilir kontrol gereklidir. Daldırma ısıtıcılar, ısıtma elemanına mümkün olduğu kadar yakın veya PTFE kılıfın içinde bir sıcaklık sensörüne (termokupl veya RTD) sahip olmalıdır. Kontrol cihazında izin verilen maksimum sıcaklık sınırlamasına yedek olarak yüksek-limitli bir güvenlik kesicisi ekleyin.

Erken PTFE ısıtıcı arızalarının çoğunluğunun, ayar noktası sıcaklığının çok yüksek olmasından değil, lokal aşırı ısınmadan kaynaklandığı keşfedilmiştir. Yerel aşırı ısınmaya neden olan faktörler:

Isıtılmış kılıfın bir kısmını havaya maruz bırakan düşük sıvı seviyesi.

Kılıf yüzeyinde kirlenme, ısı transferinin azalmasına neden olur.

Isıtıcının etrafındaki zayıf hava akışı, durgun alanlara neden olur.

Yüksek watt yoğunluğu, iç tel ile kılıfın yüzeyi arasında yüksek sıcaklık gradyanına neden olur.

Bu koşullardan herhangi biri, sıvının toplu sıcaklığı 110 derecenin altında olsa bile kılıf sıcaklığını zararlı seviyelere çıkarabilir.

Sonuçlar
Çalışma sıcaklığı PTFE kılıfın mekanik bütünlüğünü doğrudan etkiler. Sıcaklığın PTFE'nin mekanik mukavemeti üzerindeki etkisi, ortam sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda malzemenin çekme mukavemetinde kayba, sürünmeye karşı duyarlılığın artmasına ve basınç direncinin azalmasına neden olur. 110 derecelik sürekli hizmet sınırında PTFE, oda sıcaklığındaki çekme dayanımının yalnızca %40'ını korur ve sürünme oranları, uzun vadeli deformasyona neden olacak kadar önemli hale gelir.

110C sınırı keyfi bir rakam değil, mekanik bir sınırdır. Bu sınırın aşılması, kılıfın çökmesine, balonlaşmasına, incelmesine, conta arızasına ve nihai elektrik arızasına neden olabilir. Bu nedenle sıcaklık kontrolü ve doğru watt yoğunluğu, ısıtıcı ömrünün uzatılması için çok önemlidir. Tasarlandığı sıcaklık ortamında ve kabul edilebilir ısı transfer koşullarında çalıştırıldığında, PTFE kılıf mekanik gücünü koruyacak ve dahili ısıtma elemanını yıllarca güvenilir şekilde koruyacaktır.