Ảnh hưởng của nhiệt độ vận hành đến độ bền cơ học của vỏ bọc bộ gia nhiệt PTFE là gì?

PTFE là vật liệu bền, bền ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, chất lượng cơ học của nó thay đổi đáng kể khi nhiệt độ tăng lên. Hiểu được những thay đổi này là điều quan trọng để vận hành đúng cách các lò sưởi ngâm PTFE trong phạm vi thiết kế của chúng. Vỏ bọc của lò sưởi PTFE không chỉ mang lại khả năng kháng hóa chất. Nó cũng phải chống lại áp lực của chất lỏng xung quanh, chống biến dạng theo thời gian và giữ nguyên hình dạng. Tất cả các chức năng cơ học này suy giảm khi nhiệt độ tăng. Do đó, ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền cơ học của PTFE là mối quan tâm quan trọng đối với bất kỳ ai chỉ định, lắp đặt hoặc vận hành lò sưởi ngâm PTFE.

Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc phân tử của PTFE
PTFE là một loại polymer bán tinh thể. Trong các phần tinh thể, xen kẽ với các phần vô định hình (không có trật tự), các chuỗi phân tử được đóng gói chặt chẽ ở nhiệt độ phòng. Cấu trúc này mang lại cho PTFE độ bền đặc trưng, ​​độ ma sát thấp và độ trơ hóa học. Khi nhiệt độ tăng, dao động phân tử tăng lên và các phần vô định hình bắt đầu mềm đi trước khi các phần tinh thể tan chảy.

Nhiệt độ sử dụng liên tục tối đa được thống nhất chung của PTFE trong dịch vụ gia nhiệt ngâm là 110°C. Giới hạn này không phải là thất thường. Ở nhiệt độ này, ba biến đổi cơ học riêng biệt xảy ra nhanh chóng:

Độ bền kéo kém hơn - Lượng lực cần thiết để kéo căng hoặc xé vỏ bọc PTFE giảm đi đáng kể.

Độ rão tăng - Dưới tải trọng không đổi (ví dụ: áp suất chất lỏng hoặc nội lực từ dây điện trở), PTFE sẽ uốn cong chậm theo thời gian.

• Khả năng chịu áp suất thấp hơn - Vỏ bọc dễ bị xẹp hoặc phồng lên dưới áp suất chênh lệch.

Người ta thấy rằng PTFE không tan chảy cho đến nhiệt độ 327 độ mặc dù tiện ích cơ học của nó đã vượt quá nhiệt độ đó rất lâu. Đối với các ứng dụng lò sưởi ngâm, giới hạn trên khả thi cho hoạt động liên tục là 110 độ.

Thay đổi độ bền kéo theo nhiệt độ
Độ bền kéo là ứng suất kéo (độ giãn) cao nhất mà vật liệu có thể chịu được trước khi bị đứt. Đối với PTFE, đặc tính này giảm đều theo nhiệt độ. Bảng dưới đây liên quan đến các giá trị gần đúng từ quy trình kiểm tra thông thường (ASTM D638).

Nhiệt độ ( độ ) Nhiệt độ ( độ F) Độ bền kéo gần đúng (MPa) Độ bền kéo gần đúng psi% giá trị ở nhiệt độ phòng.
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% 
Lưu ý: Các giá trị mang tính biểu thị. Độ bền kéo thực tế phụ thuộc vào loại PTFE, độ kết tinh và điều kiện thử nghiệm.

Độ bền kéo của PTFE ở 100 độ chỉ bằng một nửa so với ở 23 độ. Ở 110 độ, nó giảm xuống khoảng 40% giá trị nhiệt độ môi trường. Việc giảm đáng kể ứng suất cơ học, dù là do áp suất chất lỏng, sự giãn nở nhiệt hay do xử lý, khiến cho khả năng hư hỏng ở nhiệt độ cao cao hơn nhiều.

Biến dạng leo và tải
Một nhược điểm lớn của PTFE ở nhiệt độ cao là xu hướng bị rão. Creep là sự biến dạng của một chất theo thời gian dưới tải trọng không đổi. Trong khi kim loại có nhiệt độ rão thấp hơn thì PTFE sẽ bị rão ở bất kỳ nhiệt độ nào so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Tốc độ leo tăng theo cấp số nhân với nhiệt độ.

Đối với vỏ bọc bộ gia nhiệt PTFE, tải áp dụng là:

Áp suất chất lỏng bên ngoài - Áp suất thủy tĩnh trong bể sâu có thể cao tới 0,1 bar trên mét độ sâu. Áp suất này tối thiểu ở mức 2-3 mét, nhưng khi kết hợp với nhiệt độ cao, nó có thể khiến vỏ bọc từ từ xẹp xuống hoặc lõm xuống.

Biến dạng bên trong từ dây điện trở - Bộ phận làm nóng bằng kim loại được nhúng vào PTFE. Sự giãn nở nhiệt khác nhau của kim loại và PTFE gây ra sức căng bên trong. Ở nhiệt độ cao, PTFE làm giảm các ứng suất này bằng cách rão có thể làm thay đổi hình dạng của vỏ bọc.

Lực kẹp hoặc lực lắp - Bất kỳ lực cản cơ học nào được áp dụng cho bộ sưởi (chẳng hạn như giá đỡ, mặt bích hoặc giá đỡ) đều có thể gây ra sự tập trung ứng suất cục bộ. Rò rỉ có thể làm cho PTFE chảy ra khỏi các điểm có áp suất cao và gây ra hiện tượng lỏng hoặc hỏng vòng đệm.

Creep hiếm khi gây thảm họa trong thời gian ngắn trong thực tế. Lò sưởi ở 105 độ có thể không bị biến dạng rõ ràng trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm. Tuy nhiên, hiện tượng rão theo thời gian có thể khiến lớp vỏ trở nên mỏng hơn ở một số vị trí cụ thể, làm giảm độ bền điện môi và khả năng bảo vệ cơ học. Quan trọng hơn, hiện tượng rão ở điểm tiếp xúc giữa vỏ bọc PTFE và vòng bịt đầu cuối có thể tạo điều kiện cho hơi ẩm hoặc hơi ăn mòn đi đến bộ phận làm nóng.

Rủi ro sụp đổ hoặc phình to và khả năng chống lại áp lực
Vỏ bọc lò sưởi PTFE không phải là bình chịu áp lực. Chúng được thiết kế để hoạt động ở hoặc gần áp suất khí quyển bên trong và bên ngoài. Buồng bên trong nơi đặt dây điện trở không được điều áp, nó được lấp đầy bằng PTFE hoặc không khí ở áp suất xung quanh. Hai cơ chế hư hỏng liên quan đến áp suất như sau:

Sự sụp đổ áp suất bên ngoài - Nếu áp suất chất lỏng bên ngoài cao hơn nhiều so với áp suất bên trong, vỏ bọc có thể sụp đổ vào trong. Điều này có nhiều khả năng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn vì mô đun đàn hồi (độ cứng) của PTFE bị giảm. Sự sụp đổ thường được hiểu là một phần bị dẹt hoặc lõm xuống của vỏ bọc.

Bong bóng áp suất bên trong - PTFE nóng, mềm có thể bong bóng ra ngoài nếu khoang bên trong chịu áp lực do thoát khí hoặc giãn nở khí bị mắc kẹt. Ít phổ biến hơn nhưng có thể xảy ra do hơi ẩm bên trong lò sưởi chuyển sang dạng hơi nước.

Cả hai loại lỗi đều được kiểm soát trực tiếp bởi hiệu ứng nhiệt độ độ bền cơ học của PTFE. PTFE có thể chịu được áp suất chênh lệch vài bar ở 23 độ mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Ở 110 độ, áp suất chênh lệch tương tự có thể tạo ra sự sụp đổ hoặc phồng lên tức thời. Do đó, không nên sử dụng bộ gia nhiệt PTFE cho các ứng dụng có áp suất cao hoặc nơi có thể xảy ra thay đổi áp suất nhanh.

Ảnh hưởng của việc vượt quá giới hạn 110 độ liên tục
Những chuyến du ngoạn ngắn đến nhiệt độ trên 110 độ một chút có thể được chấp nhận mà không bị hỏng nhanh chóng. Nhưng nếu bạn liên tục vượt quá giới hạn này hoặc trong thời gian dài có thể gây ra thiệt hại lâu dài. Các hậu quả quan sát được bao gồm:

Làm mỏng vỏ bọc và các điểm nóng cục bộ: Creep cho phép PTFE chảy ra khỏi vùng nóng nhất, làm mỏng vỏ bọc. Vùng mỏng hơn có độ dẫn nhiệt cao hơn. Vòng phản hồi tích cực này dẫn đến việc làm nóng các điểm nóng cục bộ nhanh hơn.

Mất độ bền điện môi - Các phần mỏng của vỏ bọc làm giảm khả năng cách điện và làm tăng nguy cơ đánh thủng.

Biến dạng vĩnh viễn - Khi PTFE bị cong vênh hoặc bị cong vênh, việc làm mát sẽ không đưa nó trở lại hình dạng ban đầu. Không có cách nào để sửa chữa vỏ bọc bị sập hoặc phồng lên.

Lỗi con dấu - Con dấu ở vùng lạnh phụ thuộc vào sự vừa khít giữa vỏ bọc PTFE và cụm đầu cuối. Creep có thể nới lỏng sự phù hợp này và cho phép chất lỏng hoặc hơi xâm nhập.

Cần lưu ý rằng giới hạn 110 độ dành cho nhiệt độ vỏ bọc PTFE, không nhất thiết là nhiệt độ chất lỏng lớn. Trong một lò sưởi được chế tạo chính xác, nhiệt độ vỏ bọc chỉ cao hơn nhiệt độ chất lỏng một chút do sự truyền nhiệt hiệu quả từ dây điện trở sang chất lỏng. Nhưng với mật độ watt cao (công suất trên một đơn vị diện tích bề mặt) hoặc với mức chất lỏng dưới phần được làm nóng, nhiệt độ vỏ bọc có thể vượt quá nhiệt độ chất lỏng ở mức lớn, ngay cả khi chất lỏng ở dưới 110 độ.

Xếp hạng mật độ Watt-Dịch vụ nhiệt độ cao-
Độ bền cơ học của PTFE phụ thuộc vào nhiệt độ-và điều này ảnh hưởng đến khả năng chống lại ứng suất của vật liệu và vì lý do này, máy sưởi ngâm có nghĩa là chạy ở nhiệt độ gần 110 độ phải có mật độ watt thấp hơn so với máy sưởi được sử dụng ở nhiệt độ thấp hơn. Mật độ watt là công suất đầu ra trên diện tích bề mặt sưởi ấm và thường được biểu thị bằng watt trên inch vuông (W/in 2) hoặc watt trên centimet vuông (W/cm 2).

Các hướng dẫn chung cho lò sưởi ngâm PTFE là:

Mật độ watt chấp nhận được lên tới 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) ở nhiệt độ tới 60 độ (140 độ F).

60–90 độ (140-194 độ F) – Mật độ watt thấp 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90-110 độ (194–230 độ F) – Cần giảm thêm mật độ watt xuống 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).

Trên 110 độ (230 độ F) - Máy sưởi ngâm PTFE thường không được khuyến khích sử dụng trong thời gian dài.

Trong thực tế, những giá trị này phải được điều chỉnh cho phù hợp với ứng dụng cụ thể. Mật độ watt cao hơn có thể được chấp nhận trong bể khuấy trộn có hệ số truyền nhiệt cao. Mật độ watt thấp hơn là cần thiết cho chất lỏng ứ đọng hoặc nhớt. Mục tiêu là để đảm bảo rằng không nơi nào nhiệt độ của vỏ bọc PTFE lớn hơn 110 độ, ngay cả ở những vị trí nóng nhất gần dây điện trở bên trong.

Kiểm soát nhiệt độ như bảo vệ
Để tuân thủ giới hạn 110 độ, cần phải đo nhiệt độ chính xác và kiểm soát đáng tin cậy. Bộ gia nhiệt ngâm phải có cảm biến nhiệt độ (cặp nhiệt điện hoặc RTD) càng gần bộ phận làm nóng hoặc bên trong vỏ bọc PTFE càng tốt. Thêm một đường cắt an toàn giới hạn cao-để dự phòng cho giới hạn nhiệt độ tối đa cho phép trên bộ điều khiển.

Người ta đã phát hiện ra rằng phần lớn các hư hỏng sớm của bộ gia nhiệt PTFE không phải do nhiệt độ điểm đặt quá cao mà do quá nhiệt cục bộ. Các yếu tố gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ:

Mức chất lỏng thấp để lộ một phần vỏ bọc được làm nóng ra không khí.

Bề mặt vỏ bị bám cặn dẫn đến giảm khả năng truyền nhiệt.

Luồng không khí kém xung quanh lò sưởi dẫn đến các khu vực ứ đọng.

Mật độ watt cao dẫn đến chênh lệch nhiệt độ cao giữa dây bên trong và bề mặt vỏ bọc.

Bất kỳ một trong những điều kiện này đều có thể tăng nhiệt độ vỏ bọc lên mức có hại ngay cả khi nhiệt độ khối chất lỏng dưới 110 độ.

Kết luận
Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng trực tiếp đến tính toàn vẹn cơ học của vỏ bọc PTFE. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền cơ học của PTFE dẫn đến mất độ bền kéo, tăng khả năng bị rão và giảm khả năng chịu áp lực của vật liệu ở nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh. Ở giới hạn sử dụng liên tục là 110 độ, PTFE chỉ giữ lại khoảng 40% độ bền kéo ở nhiệt độ phòng và tốc độ rão trở nên đủ lớn để gây ra biến dạng lâu dài.

Giới hạn 110C không phải là con số tùy ý mà là giới hạn cơ học. Vượt quá giới hạn này có thể gây xẹp vỏ bọc, phồng lên, mỏng đi, hư hỏng vòng đệm và cuối cùng là sự cố về điện. Vì vậy, việc kiểm soát nhiệt độ và mật độ watt chính xác là rất quan trọng để duy trì tuổi thọ của lò sưởi. Khi vận hành trong môi trường nhiệt độ được thiết kế và với điều kiện truyền nhiệt chấp nhận được, vỏ bọc PTFE sẽ giữ được độ bền cơ học và bảo vệ bộ phận làm nóng bên trong trong nhiều năm hoạt động đáng tin cậy.