ما هو تأثير درجة حرارة التشغيل على القوة الميكانيكية لأغلفة سخان PTFE؟

PTFE مادة قوية ومتينة في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن صفاته الميكانيكية تتغير بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة. يعد فهم هذه التغييرات أمرًا مهمًا لتشغيل سخانات الغمر PTFE بشكل صحيح ضمن غلاف التصميم الخاص بها. إن غلاف سخان PTFE يقوم بأكثر من مجرد توفير المقاومة الكيميائية. كما يجب أن تقاوم ضغط السائل المحيط، وتقاوم التشوه بمرور الوقت، وتحافظ على شكلها. كل هذه الوظائف الميكانيكية تتدهور مع زيادة درجة الحرارة. وبالتالي، فإن تأثير درجة الحرارة على القوة الميكانيكية لـ PTFE يعد مصدر قلق مهم لأي شخص يقوم بتحديد أو تركيب أو تشغيل سخانات PTFE الغاطسة.

كيف تؤثر درجة الحرارة على التركيب الجزيئي لـ PTFE
PTFE هو بوليمر شبه بلوري. في المقاطع البلورية، التي تتخللها أجزاء غير متبلورة (غير منتظمة)، تكون السلاسل الجزيئية متراصة بشكل وثيق في درجة حرارة الغرفة. يمنح هذا الهيكل PTFE قوته النموذجية، وانخفاض الاحتكاك والخمول الكيميائي، ومع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد الاهتزازات الجزيئية وتبدأ الأجزاء غير المتبلورة في التليين قبل ذوبان الأجزاء البلورية.

الحد الأقصى لدرجة حرارة الاستخدام المستمر المتفق عليها عمومًا لمادة PTFE في خدمة السخان الغاطس هي 110 درجة مئوية. هذا الحد ليس متقلبة. عند درجة الحرارة هذه تحدث ثلاث تحولات ميكانيكية منفصلة بسرعة:

قوة شد أقل - يتم تقليل مقدار الجهد اللازم لتمديد أو تمزيق غلاف PTFE بشكل كبير.

زيادة الزحف - تحت الحمل الثابت (على سبيل المثال، ضغط السائل أو القوة الداخلية من سلك المقاومة)، سوف ينثني PTFE ببطء مع مرور الوقت.

• مقاومة الضغط المنخفض - يكون الغلاف أكثر عرضة للانهيار أو الانتفاخ تحت الضغط التفاضلي.

لقد وجد أن PTFE لا يذوب حتى 327 درجة على الرغم من أن فائدته الميكانيكية قد انتهت قبل ذلك بوقت طويل. بالنسبة لتطبيقات السخان الغاطس، فإن الحد الأعلى الممكن للتشغيل المستمر هو 110 درجة.

التغير في قوة الشد مع درجة الحرارة
قوة الشد هي أعلى إجهاد شد (تمدد) يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر. بالنسبة لـ PTFE، تنخفض هذه الخاصية بشكل رتيب مع درجة الحرارة. يرتبط الجدول أدناه بالقيم التقريبية من إجراءات الاختبار التقليدية (ASTM D638).

درجة الحرارة (درجة) درجة الحرارة (درجة فهرنهايت) قوة الشد التقريبية (MPa) قوة الشد التقريبية رطل لكل بوصة مربعة٪ من القيمة في درجة حرارة الغرفة.
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% 
ملاحظة: القيم إرشادية، وتعتمد قوة الشد الفعلية على درجة PTFE والبلورة وظروف الاختبار.

قوة الشد من PTFE عند 100 درجة هي حوالي نصف تلك عند 23 درجة. عند 110 درجة تنخفض إلى حوالي 40% من قيمة درجة الحرارة المحيطة. إن الانخفاض الكبير في الإجهاد الميكانيكي، سواء كان ذلك بسبب ضغط السائل أو التمدد الحراري أو المعالجة، يجعل الضرر عند درجات الحرارة المرتفعة أكثر احتمالاً بكثير.

زحف وتحميل تشوه
أحد العيوب الرئيسية لمادة PTFE في درجات الحرارة المرتفعة هو ميلها إلى الزحف. الزحف هو تشويه المادة بمرور الوقت تحت حمل ثابت. في حين أن المعادن لديها درجة حرارة أقل للزحف، فإن PTFE سوف يزحف في أي درجة حرارة فوق البيئة المحيطة. معدل الزحف ينمو بشكل كبير مع درجة الحرارة.

بالنسبة لغلاف سخان PTFE، فإن الأحمال المطبقة هي:

ضغط السائل الخارجي - يمكن أن يصل الضغط الهيدروستاتيكي في الخزانات العميقة إلى 0.1 بار لكل متر عمق. يكون هذا الضغط في حده الأدنى عند 2-3 أمتار، ولكن عندما يقترن بدرجة حرارة مرتفعة يمكن أن يتسبب في انهيار الغمد ببطء أو غمازته.

سلالات داخلية من سلك المقاومة - عنصر التسخين المعدني مدمج في PTFE. يسبب التمدد الحراري التفاضلي للمعدن وPTFE توترات داخلية. في درجات الحرارة المرتفعة، يعمل PTFE على تخفيف هذه الضغوط عن طريق الزحف مما قد يؤدي إلى تعديل شكل الغلاف.

قوى التثبيت أو التثبيت - قد يؤدي أي تقييد ميكانيكي مطبق على السخان (مثل الأقواس أو الحواف أو الدعامات) إلى حدوث تركيزات إجهاد محلية. يمكن أن يتسبب الزحف في تدفق PTFE بعيدًا عن نقاط الضغط العالي ويتسبب في الارتخاء أو فشل الختم.

نادراً ما يكون الزحف كارثياً على المدى القصير من الناحية العملية. لا يمكن للسخان عند 105 درجة أن يظهر أي تشويه واضح لأشهر أو حتى سنوات. لكن الزحف مع مرور الوقت قد يؤدي إلى أن يصبح الغلاف أرق في مواقع محددة، مما يقلل من قوة العزل الكهربائي والحماية الميكانيكية. والأهم من ذلك، أن الزحف عند التلامس بين غلاف PTFE والختم الطرفي يمكن أن يسمح بمرور الرطوبة أو الأبخرة المسببة للتآكل للوصول إلى المدفأة.

مخاطر الانهيار أو التضخم ومقاومة الضغوط
أغلفة سخان PTFE ليست أوعية للضغط. وهي مصممة للعمل عند أو بالقرب من الضغط الجوي داخليًا وخارجيًا. الغرفة الداخلية التي يوجد بها سلك المقاومة ليست مضغوطة، فهي مملوءة بمادة PTFE أو الهواء عند الضغط المحيط. آليات الفشل المتعلقة بالضغط هي كما يلي:

انهيار الضغط الخارجي - إذا كان ضغط السائل الخارجي أعلى بكثير من الضغط الداخلي، فمن الممكن أن ينهار الغلاف إلى الداخل. يكون هذا أكثر احتمالًا عند درجات الحرارة المرتفعة نظرًا لانخفاض معامل المرونة (الصلابة) لـ PTFE. عادةً ما يُفهم الانهيار على أنه جزء مفلطح أو مدمل من الغلاف.

تضخم الضغط الداخلي - يمكن أن ينتفخ PTFE الساخن والملين إلى الخارج إذا تعرض التجويف الداخلي للضغط بسبب إطلاق الغازات أو تمدد الغاز المحصور. أقل شيوعًا ولكنه ممكن مع تحول الرطوبة داخل المدفأة إلى بخار.

يتم التحكم بشكل مباشر في كلا النوعين من الفشل من خلال تأثير درجة حرارة القوة الميكانيكية PTFE. يمكن أن يتحمل PTFE ضغطًا تفاضليًا يصل إلى عدة أشرطة عند 23 درجة دون تشوه دائم. عند 110 درجة، قد يؤدي نفس الضغط التفاضلي إلى انهيار فوري أو تضخم. ولذلك لا ينبغي استخدام سخانات PTFE لتطبيقات الضغط العالي أو حيث قد تحدث تغيرات سريعة في الضغط.

آثار تجاوز الحد المستمر 110 درجة
يمكن التسامح مع الرحلات القصيرة إلى أعلى بقليل من 110 درجة دون فشل سريع. ولكن إذا تجاوزت هذا الحد بشكل متكرر أو لفترة طويلة، فقد تتسبب في ضرر دائم. وتشمل العواقب الملحوظة ما يلي:

ترقق الغمد والنقاط الساخنة الموضعية: يمكّن الزحف PTFE من التدفق بعيدًا عن المناطق الأكثر حرارة، مما يؤدي إلى ترقق الغمد. تتمتع المناطق الرقيقة بموصلية حرارية أعلى. تؤدي حلقة التغذية المرتدة الإيجابية هذه إلى تسخين أسرع للمناطق الساخنة المحلية.

فقدان قوة العزل الكهربائي - تؤدي الأجزاء الرقيقة من الغلاف إلى تقليل هامش العزل الكهربائي وزيادة خطر الانهيار.

تشوه دائم - بمجرد زحف PTFE أو تشوهه، لن يعيده التبريد إلى شكله الأصلي. لا توجد طريقة لإصلاح الغمد المنهار أو المتضخم.

فشل الختم - يعتمد الختم الموجود في المنطقة الباردة على التوافق الجيد بين غلاف PTFE ومجموعة الأطراف. يمكن للزحف أن يخفف هذا التناسب ويسمح بدخول السائل أو البخار.

تجدر الإشارة إلى أن حد 110 درجة مخصص لدرجة حرارة غلاف PTFE، وليس بالضرورة درجة حرارة السائل السائب. في السخان المبني بشكل صحيح، تكون درجة حرارة الغلاف أعلى قليلاً من درجة حرارة السائل بسبب النقل الفعال للحرارة من سلك المقاومة إلى السائل. ولكن مع كثافة واط عالية (طاقة لكل وحدة مساحة سطحية) أو مع مستوى سائل أقل من الجزء المسخن، يمكن أن تتجاوز درجة حرارة الغلاف درجة حرارة السائل بهامش كبير، حتى عندما يكون السائل نفسه أقل من 110 درجة.

تصنيف-درجة حرارة الخدمة العالية وكثافة الوات-
تعتمد القوة الميكانيكية لمادة PTFE على درجة الحرارة -ويؤثر ذلك على قدرة المادة على مقاومة الإجهاد ولهذا السبب، يجب أن تتمتع السخانات الغاطسة التي تعمل عند درجة حرارة قريبة من 110 درجة بكثافة واط أقل من السخانات المستخدمة في درجات حرارة منخفضة. كثافة الوات هي الطاقة الناتجة لكل مساحة من سطح التسخين ويتم تمثيلها عادةً بالواط لكل بوصة مربعة (W/in 2) أو بالواط لكل سنتيمتر مربع (W/cm 2).

المبادئ التوجيهية العامة لسخانات الغمر PTFE هي:

كثافات واط مقبولة تصل إلى 25-30 واط/بوصة2 (3.9-4.7 واط/سم2) عند درجات حرارة تصل إلى 60 درجة (140 درجة فهرنهايت).

60-90 درجة (140-194 درجة فهرنهايت) - كثافة واط منخفضة تبلغ 15-20 وات/بوصة 2 (2.3-3.1 وات/سم2).

90-110 درجة (194-230 درجة فهرنهايت) - مطلوب مزيد من التخفيض في كثافة الواط إلى 10-15 واط/بوصة² (1.6-2.3 واط/سم²).

أعلى من 110 درجة (230 درجة فهرنهايت) - غالبًا لا يُنصح باستخدام سخانات الغمر PTFE للاستخدام لفترات طويلة.

ومن الناحية العملية، يجب ضبط هذه القيم لتناسب التطبيق المحدد. يمكن تحمل كثافات الواط الأعلى في الحمامات المضطربة ذات معاملات نقل الحرارة العالية. هناك حاجة إلى كثافة واط أقل للسوائل الراكدة أو اللزجة. الهدف هو ضمان عدم ارتفاع درجة حرارة غلاف PTFE في أي مكان عن 110 درجة، حتى في المواقع الأكثر سخونة بالقرب من سلك المقاومة الداخلية.

التحكم في درجة الحرارة كحماية
لمراقبة حد 110 درجة، من الضروري قياس درجة الحرارة بدقة والتحكم الموثوق به. يجب أن تحتوي السخانات الغاطسة على مستشعر لدرجة الحرارة (مزدوج حراري أو RTD) في أقرب وقت ممكن من عنصر التسخين، أو داخل غلاف PTFE. أضف فتحة أمان عالية-كإجراء احتياطي للحد الأقصى المسموح به لدرجة الحرارة على وحدة التحكم.

لقد تم اكتشاف أن غالبية حالات فشل سخان PTFE المبكرة لا تنتج عن ارتفاع درجة حرارة نقطة الضبط ولكن بسبب ارتفاع درجة الحرارة الموضعي. العوامل المسببة للسخونة المحلية:

انخفاض مستوى السائل مما يعرض جزءًا من الغلاف الساخن للهواء.

قاذورات على سطح الغمد، مما يؤدي إلى انخفاض نقل الحرارة.

ضعف تدفق الهواء حول المدفأة مما يؤدي إلى ركود المناطق.

كثافة واط عالية تؤدي إلى تدرج عالي في درجة الحرارة بين السلك الداخلي وسطح الغلاف.

يمكن لأي من هذه الظروف أن ترفع درجة حرارة الغلاف إلى مستويات ضارة حتى عندما تكون درجة حرارة السائل السائب أقل من 110 درجة.

الاستنتاجات
تؤثر درجة حرارة التشغيل بشكل مباشر على السلامة الميكانيكية لغلاف PTFE. إن تأثير درجة الحرارة على القوة الميكانيكية لـ PTFE يؤدي إلى فقدان قوة الشد، وزيادة القابلية للزحف وتقليل مقاومة الضغط للمادة عند درجات حرارة أعلى من البيئة المحيطة. عند حد الخدمة المستمرة البالغ 110 درجة، يحتفظ PTFE بحوالي 40% فقط من قوة الشد في درجة حرارة الغرفة، وتصبح معدلات الزحف كبيرة بما يكفي لإحداث تشوه على المدى الطويل.

الحد 110C ليس رقمًا تعسفيًا ولكنه حد ميكانيكي. قد يؤدي تجاوز هذا الحد إلى انهيار الغلاف، وانتفاخه، وترققه، وفشل الختم، والانهيار الكهربائي النهائي. وبالتالي فإن التحكم في درجة الحرارة وكثافة الواط الصحيحة أمران ضروريان للحفاظ على عمر السخان. عندما يتم تشغيله في بيئة درجة الحرارة التي تم تصميمه من أجلها ومع ظروف نقل الحرارة المقبولة، فإن غلاف PTFE سيحتفظ بقوته الميكانيكية ويحمي عنصر التسخين الداخلي لسنوات من التشغيل الموثوق.