كيف يؤثر معامل التمدد الحراري لـ PTFE على تركيب السخان ودعم التصميم؟

عندما يتم تسخين السخان الغاطس PTFE من درجة الحرارة المحيطة إلى درجة حرارة التشغيل، فإن طوله يزيد بشكل كبير. إذا تم تثبيت السخان بقوة من كلا الطرفين، فإن هذا التمدد يسبب ضغطًا داخليًا كبيرًا. يجب أن تؤخذ هذه الحركة في الاعتبار عند تركيب السخان بشكل صحيح، وهي ميزة حيوية غالبًا ما يتم تجاهلها في الأنظمة الصناعية.

معامل PTFE للتمدد الحراري
يقيس معامل التمدد الحراري (CTE) مقدار تمدد المادة أو انكماشها لكل درجة تغير في درجة الحرارة. يحتوي PTFE على نسبة CTE عالية نسبيًا -حوالي 120 × 10⁻⁶ لكل درجة مئوية (120 جزء في المليون لكل درجة). بالمقارنة، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ (304 و316) لديه CTE يبلغ حوالي 17 * 10^ -6 / درجة مئوية. لذلك سوف يتمدد PTFE حوالي 7 مرات أكثر من الفولاذ لنفس الزيادة في درجة الحرارة.

النتيجة العملية رائعة. سخان PTFE بطول 1 متر يتم تسخينه من درجة حرارة الغرفة 20 درجة إلى درجة حرارة التشغيل النموذجية 100 درجة يتوسع تقريبًا بما يلي:

ΔL=L 0 × CTE × ΔT=1.0 م × 120×10 −6 / درجة × 80 درجة=0.0096 م ≈ 9.6 مم

بالنسبة للمكون المتصل بشكل صارم، يعد التغيير بمقدار 10 مم تقريبًا لكل متر من الطول أمرًا كبيرًا للغاية. بالنسبة للسخانات الأكبر حجمًا، التي يبلغ طولها 3 أو 4 أمتار، يمكن أن يصل التمدد الإجمالي إلى 30-40 ملم.

معامل المادة للتمدد الحراري (×10-6/ درجة) عند 20-100 درجة التمدد لكل متر لكل 80 درجة زيادة PTFE 120 – 130 ≈9.6 – 10.4 ملم
PFA 120 – 140 ≈9.6 – 11.2 ملم
الفولاذ المقاوم للصدأ (304/316) 16 – 18 ≈1.3 – 1.4 ملم
التيتانيوم (الدرجة 2) 8 – 9 ≈0.6 – 0.7 ملم
PFA هو بوليمر فلوري آخر له معامل تمدد مرتفع مماثل. تستخدم بعض السخانات المعدنية المتخصصة التيتانيوم، الذي يتمدد بدرجة أقل من الفولاذ المقاوم للصدأ. الفرق بين PTFE وأي مادة غمد معدنية أو قلب معدني داخلي مذهل.

مشكلة التركيب الناجمة عن التوسع العالي في PTFE
بشكل عام، يشتمل السخان الغاطس PTFE على سلك أو قلب معدني داخلي للمقاومة. يتمدد اللب المعدني بمعدل يبلغ حوالي-سُبع معدل تمدد غلاف PTFE المحيط. عندما يتم تسخين المدفأة، يريد PTFE أن يتوسع بشكل ملحوظ أكثر من النواة المعدنية الموجودة بداخله. يؤدي هذا التوسع التفاضلي إلى حدوث إجهادات قص داخلية عند السطح البيني بين PTFE والمعادن.

إذا كان السخان أيضًا محصورًا خارجيًا (بمشابك صلبة أو أقواس أو حواف عند كلا الطرفين)، فلا يمكن لغلاف PTFE أن يتوسع بحرية في الاتجاه المحوري. يؤدي التوتر الميكانيكي الناتج إلى عدد من أوضاع الفشل:

التواء أو انحناء - غمد PTFE أكثر ليونة من المعدن وبالتالي يميل إلى الانثناء للخارج في المنتصف، مما يؤدي إلى شكل منحني أو متموج قد يصطدم بجدران الخزان أو السخانات الأخرى.

التشقق في مواقع تركيز الضغط - المشابك الصلبة أو حواف الدعم الحادة هي أدوات رفع الضغط. يتمدد PTFE ويضغط على هذه البقع الثابتة، مما قد يسبب تشققات وانتشارها في جميع أنحاء الغلاف.

اسحب-بعيدًا عن القلب المعدني الداخلي - يمكن أن يؤدي التمدد التفاضلي لـ PTFE والقلب المعدني، جنبًا إلى جنب مع القيود الخارجية، إلى سحب PTFE بعيدًا عن النهايات المعدنية أو زحفه بعيدًا عن القلب، مما يعرض سلك المقاومة لسوائل المعالجة المسببة للتآكل.

من الأخطاء الشائعة في التركيبات الصناعية التعامل مع سخان PTFE مثل السخان المعدني، أي تثبيته بعدد من الدعامات الصلبة على طوله أو تثبيته من الطرفين العلوي والسفلي. يكاد يكون من المؤكد أن هذه الأنواع من التكتيكات ستفشل مبكرًا.

إرشادات عملية لتركيب سخانات التمدد الحراري PTFE
الفرضية الأساسية لتركيب سخانات التمدد الحراري PTFE هي السماح للسخان بالتمدد والانكماش بحرية في الطول ولكن مع البقاء في مكانه المقصود في الخزان أو الوعاء. تشمل التقنيات الموصى بها ما يلي:

جبل في نهاية واحدة فقط.
يجب تركيب المدفأة بشكل صارم في مكان واحد فقط - غالبًا ما يكون الطرف الطرفي (الطرف البارد حيث يتم إجراء التوصيلات الكهربائية). من ناحية أخرى، يجب أن يكون الطول الساخن حرًا تمامًا في الانزلاق أو الحركة. لا يجب تركيب أي مشابك أو أقواس أو أدلة إضافية على طول أنبوب PTFE.

توفير الحركة المحورية في أكثر من-الأقواس الجانبية-.
إذا تم استخدام دعامة تثبيت جانبية فوق--، فيجب ألا تقوم الدعامة بربط غلاف PTFE بشكل صارم. بدلاً من ذلك، يجب إنشاء دليل تركيب غير محكم- أو ترتيب مشقوق يحافظ على السخان في الوضع الرأسي ولكنه يسمح لـ PTFE بالتحرك محوريًا عبر الحامل مع اختلاف درجة الحرارة. يمكنك البدء بمسافة 2-3 مم تقريبًا بين الغلاف وفتحة الدعامة.

تجنب تكوينات L وU الصارمة للغاية
في بعض الأحيان يتم استخدام سخانات على شكل حرف L (بساق أفقية وعمودية) في بعض تصميمات الخزانات. إذا تم تثبيت الساقين الأفقية والرأسية بشكل آمن عند طرفيهما، فإن تمدد إحدى الساقين يعمل ضد الأخرى، وتتعرض الزاوية لضغوط انحناء كبيرة. في الواقع، يجب تصميم سخان PTFE ذو الشكل L- بساق واحدة حرة الحركة أو يجب أن تتمتع الزاوية بانتقال مرن (على سبيل المثال، انحناء نصف قطر أكبر) لامتصاص التمدد التفاضلي.

مساحة نهاية حرة للتوسع
يحتاج السخان الذي يبلغ طوله 1-ممتدًا بمقدار 10 مم إلى 10 مم على الأقل من المساحة الفارغة عند نهايته الحرة. بالنسبة للسخان المعلق عموديًا، فهذا يعني أن الجزء السفلي من السخان يجب ألا يلمس قاع الخزان أو أي شيء داخل الخزان. يوصى بمسافة 20-30 مم للتعويض عن تفاوتات التصنيع والرحلات المحتملة لدرجات الحرارة الزائدة.

استخدم وصلات مرنة بدلاً من القناة الصلبة المرفقة بالغمد
يجب أن تكون الخيوط من الطرف الطرفي للإمداد الكهربائي مرنة بدرجة كافية للسماح بحركة متواضعة لمجموعة الأطراف مع توسع المدفأة وتقلصها. يمكن للقناة المعدنية الصلبة، عند اقترانها مباشرة بمبيت المحطة، أن تنقل قوى الحركة إلى نقطة الاتصال، مما قد يؤدي إلى الإضرار بالمحطات الطرفية.

ماذا يحدث عندما يكون التوسع محدودا؟
تشير الخبرة الميدانية إلى أن التمدد الحراري المحدود هو أحد الأسباب الرئيسية لفشل سخان PTFE بعد الحمل الكهربائي الزائد. تشمل علامات الفشل الشائعة ما يلي:

إبزيم الغمد - الفحص البصري بشكل أفعواني أو متموج.

الشقوق الطولية - شقوق موازية لمحور السخان، وعادة ما تبدأ بالقرب من مشابك التثبيت.

الفصل الطرفي - ينزلق غلاف PTFE بعيدًا عن مركب التأصيص الطرفي مما يفضح سلك المقاومة أو يسمح بوجود قناة لاختراق السوائل.

كسر السلك الداخلي - دورات التمدد والانكماش، عند تقييدها، تؤدي إلى إرهاق سلك المقاومة الداخلية في موقع الدخول إلى غلاف PTFE.

يجب ألا تقوم أجهزة التثبيت بضغط غلاف PTFE بشكل قطري. يزحف PTFE تحت ضغط الضغط المستمر. سوف يسترخي مشبك الخرطوم أو مشبك الأنبوب المثبت حول PTFE في النهاية عندما تتدفق المادة الباردة - بعيدًا عن المشبك ويمكن أن يتسبب الضغط غير المتساوي في حدوث كسر.

الخلاصة: ممارسات التثبيت الجيدة لا تقل أهمية عن جودة السخان
يبلغ معامل التمدد الحراري لـ PTFE حوالي سبعة أضعاف معامل التمدد الحراري للفولاذ المقاوم للصدأ. سوف يمتد سخان PTFE الذي يبلغ طوله 1- م حوالي 10 مم عند تسخينه من درجة الحرارة المحيطة إلى 100 درجة. إذا تم تقييد هذا التمدد، فإن الضغوط الميكانيكية التي تنشأ تؤدي إلى انبعاج أو كسر أو فشل سحب غمد PTFE.

يتطلب توصيل سخان التمدد الحراري PTFE المناسب نقطة ثابتة واحدة، عادةً في الطرف الطرفي، مع حرية تحريك باقي السخان محوريًا. يجب السماح بالانزلاق فوق -الأقواس الجانبية-؛ يجب ألا تحتوي الترتيبات ذات الشكل L- على قيدين؛ ويجب أن يكون هناك مساحة كافية في النهاية الحرة. لا تعد تقنيات التصميم هذه تحسينات اختيارية، ولكنها ضرورية لعمر الخدمة الطويل. تعتبر جودة المدفأة أمرًا حيويًا، ولكن أيضًا إجراءات التثبيت الجيدة. عندما تتم معالجة التأثيرات الميكانيكية للتمدد الحراري بشكل صحيح، فإن سخانات الغمر PTFE توفر المقاومة الكيميائية الكاملة وفوائد العزل الكهربائي دون أي تنازلات.