تأثیر دمای عملیاتی بر استحکام مکانیکی غلاف بخاری PTFE چیست؟

PTFE یک ماده قوی و بادوام در دمای اتاق است. با این حال، کیفیت مکانیکی آن به طور چشمگیری با افزایش دما تغییر می کند. درک این تغییرات برای عملکرد صحیح بخاری های غوطه وری PTFE در پوشش طراحی آنها مهم است. غلاف بخاری PTFE چیزی بیش از ایجاد مقاومت شیمیایی انجام می دهد. همچنین باید در برابر فشار مایع اطراف مقاومت کند، در برابر تغییر شکل در طول زمان مقاومت کند و شکل خود را حفظ کند. همه این عملکردهای مکانیکی با افزایش دما بدتر می شوند. بنابراین، تأثیر دما بر مقاومت مکانیکی PTFE یک نگرانی مهم برای هر کسی است که بخاری های غوطه وری PTFE را مشخص، نصب یا راه اندازی می کند.

چگونه دما بر ساختار مولکولی PTFE تأثیر می گذارد
PTFE یک پلیمر نیمه کریستالی است. در بخش‌های کریستالی، که با بخش‌های آمورف (بی‌نظم) پراکنده شده‌اند، زنجیره‌های مولکولی در دمای اتاق به‌خوبی بسته‌بندی می‌شوند. این ساختار به PTFE استحکام معمولی، اصطکاک کم و بی اثری شیمیایی می دهد، با افزایش دما، ارتعاشات مولکولی افزایش می یابد و قسمت های آمورف قبل از ذوب شدن بخش های کریستالی شروع به نرم شدن می کنند.

حداکثر دمای مورد توافق برای استفاده مداوم از PTFE در سرویس هیتر غوطه وری 110 درجه سانتیگراد است. این حد دمدمی مزاجی نیست. در این دما سه تغییر مکانیکی جداگانه به سرعت رخ می دهد:

استحکام کششی کمتر - میزان تلاش مورد نیاز برای کشش یا پاره شدن غلاف PTFE بسیار کاهش یافته است.

افزایش خزش - تحت یک بار ثابت (به عنوان مثال فشار مایع یا نیروی داخلی سیم مقاومت)، PTFE به آرامی با گذشت زمان خم می شود.

• مقاومت فشار کمتر - غلاف بیشتر در معرض فرو ریختن یا بالون شدن تحت فشار دیفرانسیل است.

مشخص شده است که PTFE تا 327 درجه ذوب نمی شود، اگرچه کاربرد مکانیکی آن مدت ها قبل از آن به پایان رسیده است. برای کاربردهای بخاری غوطه وری حد بالایی امکان پذیر برای کار مداوم 110 درجه است.

تغییر در استحکام کششی با دما
استحکام کششی بالاترین تنش کششی (کششی) است که یک ماده می تواند قبل از شکستن تحمل کند. برای PTFE این مشخصه به طور یکنواخت با دما کاهش می یابد. جدول زیر مربوط به مقادیر تقریبی از روش های آزمایشی مرسوم (ASTM D638) است.

دما (درجه) دما (درجه F) مقاومت کششی تقریبی (MPa) مقاومت کششی تقریبی psi% مقدار در دمای اتاق.
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% 
توجه: مقادیر نشان دهنده هستند، استحکام کششی واقعی به درجه PTFE، بلورینگی و شرایط آزمایش بستگی دارد.

استحکام کششی PTFE در 100 درجه تقریباً نصف آن در 23 درجه است. در 110 درجه تا حدود 40 درصد از مقدار دمای محیط کاهش می یابد. کاهش قابل توجه تنش مکانیکی، چه به دلیل فشار مایع، انبساط حرارتی یا جابجایی، آسیب در دماهای بالا را بسیار محتمل تر می کند.

خزش و تغییر شکل بار
یکی از معایب عمده PTFE در دماهای بالا تمایل آن به خزش است. خزش عبارت است از اعوجاج یک ماده در طول زمان تحت یک بار ثابت. در حالی که فلزات دارای دمای پایین تری برای خزش هستند، PTFE در هر دمایی بیش از محیط خزش می کند. سرعت خزش با دما به صورت تصاعدی رشد می کند.

برای غلاف بخاری PTFE، بارهای قابل اعمال عبارتند از:

فشار مایع خارجی - فشار هیدرواستاتیک در مخازن عمیق می تواند تا 0.1 بار در هر متر عمق باشد. این فشار در 2-3 متر حداقل است، اما هنگامی که با دمای بالا جفت می شود می تواند باعث فرو ریختن آهسته غلاف یا فرورفتن آن شود.

کرنش های داخلی از سیم مقاومت - المنت حرارتی فلزی در PTFE تعبیه شده است. انبساط حرارتی تفاضلی فلز و PTFE باعث ایجاد تنش های داخلی می شود. در دمای بالا PTFE این تنش ها را با خزش کاهش می دهد که ممکن است شکل غلاف را تغییر دهد.

نیروهای بستن یا نصب - هر گونه محدودیت مکانیکی اعمال شده روی بخاری (مانند براکت ها، فلنج ها یا تکیه گاه ها) ممکن است باعث تمرکز تنش موضعی شود. خزش می تواند باعث شود PTFE از نقاط پر فشار خارج شود و باعث شل شدن یا خرابی آب بندی شود.

خزش در عمل به ندرت در کوتاه مدت فاجعه بار است. یک بخاری در 105 درجه نمی تواند هیچ اعوجاج آشکاری را برای ماه ها یا حتی سال ها نشان دهد. اما خزش در طول زمان ممکن است منجر به نازک شدن غلاف در مکان های خاص شود و مقاومت دی الکتریک و حفاظت مکانیکی را کاهش دهد. مهمتر از آن، خزش در تماس بین غلاف PTFE و مهر و موم ترمینال می تواند راه عبور رطوبت یا بخارات خورنده را به بخاری اجازه دهد.

خطرات فروپاشی یا بالون شدن و مقاومت در برابر فشار
غلاف بخاری PTFE مخازن تحت فشار نیستند. آنها برای کارکردن در فشار اتمسفر یا نزدیک به آن در داخل و خارج طراحی شده اند. محفظه داخلی که سیم مقاومت در آن قرار دارد تحت فشار نیست، آن را با PTFE یا هوا در فشار محیط پر می کنند. دو مکانیسم شکست مربوط به فشار به شرح زیر است:

فروپاشی فشار خارجی - اگر فشار مایع خارجی بسیار بیشتر از فشار داخلی باشد، غلاف می‌تواند به سمت داخل فرو بریزد. این احتمال در دماهای بالاتر بیشتر است زیرا مدول الاستیک (سفتی) PTFE کاهش می یابد. کلاپس معمولاً به معنای قسمت صاف یا فرورفته غلاف در نظر گرفته می شود.

بالون کردن فشار داخلی - PTFE گرم و نرم شده می‌تواند در صورت تحت فشار قرار گرفتن حفره داخلی به دلیل خروج گاز یا انبساط گاز محبوس شده، به سمت بیرون حرکت کند. کمتر رایج است اما با تبدیل شدن رطوبت داخل بخاری به بخار امکان پذیر است.

هر دو نوع خرابی مستقیماً توسط اثر دمای مقاومت مکانیکی PTFE کنترل می شوند. PTFE می تواند فشار دیفرانسیل چندین بار را در 23 درجه بدون تغییر شکل دائمی تحمل کند. در 110 درجه همین فشار دیفرانسیل ممکن است باعث فروپاشی یا بالون شدن آنی شود. بنابراین بخاری های PTFE نباید برای کاربردهای فشار بالا یا جاهایی که ممکن است تغییرات فشار سریع رخ دهد استفاده شوند.

اثرات تجاوز از حد پیوسته 110 درجه
سفرهای کوتاه تا کمی بالاتر از 110 درجه ممکن است بدون شکست سریع قابل تحمل باشد. اما اگر به طور مکرر از این حد تجاوز کنید یا برای مدت طولانی می توانید آسیب های پایداری ایجاد کنید. پیامدهای مشاهده شده عبارتند از:

نازک شدن غلاف و نقاط حساس موضعی: خزش PTFE را قادر می‌سازد تا از داغ‌ترین مناطق خارج شود و غلاف را نازک کند. مناطق نازک تر هدایت حرارتی بالاتری دارند. این حلقه بازخورد مثبت منجر به گرم شدن سریعتر نقاط داغ محلی می شود.

از دست دادن استحکام دی الکتریک - قسمت های نازک شده غلاف، حاشیه عایق الکتریکی را کاهش می دهد و خطر خرابی را افزایش می دهد.

تغییر شکل دائمی - هنگامی که PTFE خزش یا تاب برداشته شد، خنک کردن آن را به شکل اولیه خود باز نمی‌گرداند. هیچ راهی برای تعمیر غلاف فرو ریخته یا باد شده وجود ندارد.

خرابی مهر و موم - مهر و موم در منطقه سرد به تناسب خوبی بین غلاف PTFE و مجموعه پایانه متکی است. خزش می تواند این تناسب را شل کند و اجازه دهد مایع یا بخار وارد شود.

لازم به ذکر است که حد 110 درجه برای دمای غلاف PTFE است، نه لزوما دمای مایع حجیم. در بخاری هایی که به درستی ساخته شده اند، دمای غلاف کمی بالاتر از دمای مایع است، زیرا به دلیل انتقال موثر گرما از سیم مقاومت به مایع است. اما با چگالی وات بالا (قدرت در واحد سطح) یا با سطح مایع زیر قسمت گرم شده، دمای غلاف می تواند تا حد زیادی از دمای مایع بیشتر شود، حتی زمانی که خود مایع زیر 110 درجه باشد.

رتبه-سرویس درجه حرارت بالا وات چگالی-
استحکام مکانیکی PTFE وابسته به دما است و این بر ظرفیت مواد برای مقاومت در برابر تنش تأثیر می‌گذارد و به همین دلیل، بخاری‌های غوطه‌وری که در دمای نزدیک به 110 درجه کار می‌کنند باید چگالی وات کمتری نسبت به بخاری‌هایی که در دماهای پایین‌تر استفاده می‌شوند داشته باشند. چگالی وات توان خروجی در هر سطح از سطح گرمایش است و معمولاً بر حسب وات بر اینچ مربع (W/in 2) یا وات بر سانتی‌متر مربع (W/cm2) نشان داده می‌شود.

دستورالعمل های کلی برای بخاری های غوطه وری PTFE عبارتند از:

تراکم وات قابل قبول تا 25-30 W/in2 (3.9-4.7 W/cm2) در دماهای تا 60 درجه (140 درجه فارنهایت).

60-90 درجه (140-194 درجه فارنهایت) - چگالی وات کم 15-20 W/in 2 (2.3-3.1 W/cm2).

90-110 درجه (194-230 درجه فارنهایت) - کاهش بیشتر در چگالی وات به 10-15 W/in² (1.6-2.3 W/cm²) مورد نیاز است.

بیشتر از 110 درجه (230 درجه فارنهایت) - بخاری های غوطه ور PTFE اغلب برای استفاده طولانی مدت توصیه نمی شوند.

در عمل، این مقادیر باید برای برنامه خاص تنظیم شوند. تراکم وات بالاتر را می توان در حمام های هم زده با ضریب انتقال حرارت بالا تحمل کرد. چگالی وات کمتری برای مایعات راکد یا چسبناک مورد نیاز است. هدف تضمین این است که دمای غلاف PTFE در هیچ کجا بیش از 110 درجه نباشد، حتی در گرمترین مکان ها نزدیک سیم مقاومت داخلی.

کنترل دما به عنوان محافظ
برای رعایت حد 110 درجه، اندازه گیری دقیق دما و کنترل قابل اعتماد ضروری است. بخاری های غوطه ور باید دارای یک سنسور دما (ترموکوپل یا RTD) تا حد امکان به المنت گرمایشی یا داخل غلاف PTFE باشند. یک برش{3}}ایمنی با حد بالا به عنوان پشتیبان به حداکثر محدودیت دمای مجاز روی کنترلر اضافه کنید.

کشف شده است که اکثر خرابی های زودرس بخاری PTFE به دلیل دمای تنظیم بیش از حد بالا نیست، بلکه ناشی از گرمای بیش از حد موضعی است. عواملی که باعث گرمای بیش از حد موضعی می شوند:

سطح مایع پایین که بخشی از غلاف گرم شده را در معرض هوا قرار می دهد.

ایجاد رسوب روی سطح غلاف که منجر به کاهش انتقال حرارت می شود.

جریان هوا ضعیف در اطراف بخاری و در نتیجه مناطق راکد.

چگالی وات بالا که منجر به گرادیان دمای بالا بین سیم داخلی و سطح غلاف می شود.

هر یک از این شرایط می تواند دمای غلاف را به سطوح مضر افزایش دهد حتی زمانی که دمای مایع فله زیر 110 درجه باشد.

نتیجه گیری
دمای عملیاتی مستقیماً بر یکپارچگی مکانیکی غلاف PTFE تأثیر می گذارد. تأثیر دما بر استحکام مکانیکی PTFE منجر به از دست دادن استحکام کششی، افزایش حساسیت به خزش و کاهش مقاومت فشاری مواد در دماهای بالاتر از محیط می شود. در حد سرویس پیوسته 110 درجه، PTFE تنها حدود 40 درصد از استحکام کششی خود در دمای اتاق را حفظ می کند و نرخ خزش به اندازه کافی برای ایجاد تغییر شکل طولانی مدت قابل توجه است.

حد 110 درجه سانتیگراد یک رقم دلخواه نیست بلکه یک محدودیت مکانیکی است. فراتر از این حد می تواند باعث فروریختن غلاف، بالون شدن، نازک شدن، خرابی آب بندی و خرابی الکتریکی نهایی شود. بنابراین کنترل دما و چگالی وات صحیح برای حفظ عمر بخاری بسیار مهم است. هنگامی که غلاف PTFE در محیط دمایی که برای آن طراحی شده و با شرایط انتقال حرارت قابل قبول کار می کند، استحکام مکانیکی خود را حفظ کرده و از عنصر گرمایش داخلی برای سال ها کارکرد قابل اعتماد محافظت می کند.