Ở nhiệt độ phòng, PTFE là một loại nhựa dẻo dai, bền. Nhưng khi nhiệt độ tăng lên, tính chất cơ học của nó thay đổi đáng kể. Hiểu những thay đổi này là điều cần thiết để vận hành bộ gia nhiệt ngâm PTFE một cách an toàn và trong phạm vi thiết kế của chúng. Vỏ bọc của bộ gia nhiệt PTFE không chỉ có tác dụng kháng hóa chất-mà nó còn phải chịu được áp suất của chất lỏng xung quanh, chống biến dạng theo thời gian và duy trì hình dạng. Tất cả các chức năng cơ học này suy giảm khi nhiệt độ tăng. cácHiệu ứng nhiệt độ bền cơ học của PTFEdo đó, đây là yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với bất kỳ ai chỉ định, lắp đặt hoặc vận hành lò sưởi ngâm PTFE.
Nhiệt độ làm thay đổi cấu trúc phân tử của PTFE như thế nào
PTFE là một-polyme bán tinh thể. Ở nhiệt độ phòng, các chuỗi phân tử của nó được liên kết chặt chẽ trong các vùng tinh thể xen kẽ với các vùng vô định hình (rối loạn). Cấu trúc này mang lại cho PTFE độ bền đặc trưng, độ ma sát thấp và độ trơ hóa học. Khi nhiệt độ tăng lên, dao động phân tử tăng lên và các vùng vô định hình bắt đầu mềm đi trước khi các vùng kết tinh tan chảy.
Giới hạn sử dụng liên tục của PTFE trong dịch vụ gia nhiệt ngâm được chấp nhận rộng rãi như110 độ. Giới hạn này không phải là tùy ý. Trên nhiệt độ này, ba thay đổi cơ học riêng biệt tăng tốc nhanh chóng:
Độ bền kéo giảm– Lực cần thiết để kéo căng hoặc xé vỏ bọc PTFE giảm đi đáng kể.
Tăng leo– Dưới tải trọng không đổi (chẳng hạn như áp suất chất lỏng hoặc ứng suất bên trong từ dây điện trở), PTFE biến dạng chậm theo thời gian.
Khả năng chịu áp suất thấp hơn– Vỏ bọc trở nên dễ bị xẹp hoặc phồng lên dưới áp suất chênh lệch.
Người ta quan sát thấy rằng mặc dù PTFE không tan chảy cho đến nhiệt độ 327 độ nhưng tính hữu dụng cơ học của nó lại thấp hơn nhiều so với nhiệt độ đó. Đối với các ứng dụng lò sưởi ngâm, 110 độ thể hiện giới hạn trên thực tế để hoạt động liên tục.
Giảm độ bền kéo khi nhiệt độ tăng
Độ bền kéo là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được khi bị kéo căng trước khi đứt. Đối với PTFE, đặc tính này giảm dần khi nhiệt độ tăng. Bảng dưới đây hiển thị các giá trị gần đúng dựa trên các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn (ASTM D638).
| Nhiệt độ (độ) | Nhiệt độ (độ F) | Độ bền kéo gần đúng (MPa) | Độ bền kéo gần đúng (psi) | Phần trăm phòng-Giá trị nhiệt độ |
|---|---|---|---|---|
| 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 đại diện. Độ bền kéo thực tế phụ thuộc vào cấp độ PTFE, độ kết tinh và điều kiện thử nghiệm.
Ở 100 độ, độ bền kéo của PTFE chỉ bằng một nửa giá trị của nó ở 23 độ. Ở 110 độ, nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 40% giá trị nhiệt độ-trong phòng. Mức giảm đáng kể này có nghĩa là bất kỳ ứng suất cơ học nào-dù là do áp suất chất lỏng, sự giãn nở nhiệt hay do xử lý- đều có nhiều khả năng gây hư hỏng hơn ở nhiệt độ cao.
Leo và biến dạng dưới tải
Hạn chế chính của PTFE ở nhiệt độ cao là tính dễ bị dão. Độ rão là biến dạng-phụ thuộc vào thời gian của vật liệu dưới tải trọng không đổi. Không giống như kim loại, có hiện tượng rão tối thiểu dưới một ngưỡng nhất định, PTFE bị rão ở bất kỳ nhiệt độ nào cao hơn môi trường xung quanh. Tốc độ leo tăng theo cấp số nhân theo nhiệt độ.
Đối với vỏ bọc bộ gia nhiệt PTFE, tải trọng liên quan bao gồm:
Áp suất chất lỏng bên ngoài– Trong bể sâu, áp suất thủy tĩnh có thể đạt tới 0,1 bar/m độ sâu. Ở độ cao 2–3 mét, áp suất này rất khiêm tốn, nhưng kết hợp với nhiệt độ tăng cao, nó có thể khiến lớp vỏ từ từ xẹp xuống hoặc lõm xuống.
Ứng suất bên trong của dây điện trở– Bộ phận làm nóng bằng kim loại được nhúng trong PTFE. Sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt giữa kim loại và PTFE tạo ra ứng suất bên trong. Ở nhiệt độ cao, PTFE làm giảm các ứng suất này thông qua hiện tượng rão, có thể làm thay đổi hình dạng của vỏ bọc.
Lực kẹp hoặc lực gắn– Bất kỳ hạn chế cơ học nào được áp dụng cho thiết bị sưởi (ví dụ: giá đỡ, mặt bích hoặc giá đỡ) đều tạo ra sự tập trung ứng suất cục bộ. Rò rỉ có thể khiến PTFE chảy ra khỏi các điểm áp suất-cao, dẫn đến lỏng hoặc hỏng vòng đệm.
Trong thực tế, hiện tượng leo dốc hiếm khi gây ra thảm họa trong thời gian ngắn. Một lò sưởi hoạt động ở 105 độ có thể không có biến dạng rõ ràng trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm. Tuy nhiên, theo thời gian, hiện tượng rão có thể khiến vỏ bọc trở nên mỏng hơn ở một số khu vực nhất định, làm giảm độ bền điện môi và khả năng bảo vệ cơ học. Quan trọng hơn, vết nứt ở bề mặt tiếp xúc giữa vỏ bọc PTFE và vòng đệm đầu cuối có thể mở đường cho hơi ẩm hoặc hơi ăn mòn xâm nhập vào lò sưởi.
Khả năng chịu áp lực và nguy cơ sụp đổ hoặc phồng lên
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 ở cả bên trong và bên ngoài. Khoang bên trong chứa dây điện trở không chịu áp lực; nó được lấp đầy bằng PTFE hoặc không khí ở áp suất xung quanh. Tuy nhiên, tồn tại hai chế độ hư hỏng liên quan đến áp suất-:
Sụp đổ áp suất bên ngoài– Nếu áp suất chất lỏng bên ngoài vượt quá áp suất bên trong ở mức đủ lớn thì vỏ bọc có thể xẹp vào trong. Điều này có nhiều khả năng xảy ra ở nhiệt độ cao vì mô đun đàn hồi (độ cứng) của PTFE giảm. Sự sụp đổ thường được coi là một phần phẳng hoặc lõm của vỏ bọc.
Bong bóng áp lực nội bộ– Nếu khoang bên trong bị tăng áp do sự giãn nở hoặc thoát khí bị mắc kẹt, thì PTFE nóng, mềm có thể phồng ra ngoài. Điều này ít phổ biến hơn nhưng có thể xảy ra nếu hơi ẩm bên trong lò sưởi chuyển thành hơi nước.
cácHiệu ứng nhiệt độ bền cơ học của PTFEtrực tiếp chi phối cả hai chế độ thất bại. Ở 23 độ, PTFE có thể chịu được áp suất chênh lệch vài bar mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Ở 110 độ, cùng một áp suất chênh lệch có thể gây ra sự sụp đổ hoặc phồng lên ngay lập tức. Vì lý do này, không bao giờ được vận hành bộ gia nhiệt PTFE trong môi trường-áp suất cao hoặc chịu sự thay đổi áp suất nhanh chóng.
Hậu quả của việc vượt quá giới hạn liên tục 110 độ
Những chuyến du ngoạn ngắn hạn-có nhiệt độ trên 110 độ một chút có thể được chấp nhận mà không bị hỏng ngay lập tức. Tuy nhiên, hoạt động lặp đi lặp lại hoặc kéo dài trên giới hạn này có nguy cơ gây hư hỏng vĩnh viễn. Các hậu quả được quan sát bao gồm:
Vỏ mỏng và các điểm nóng cục bộ– Creep cho phép PTFE chảy ra khỏi vùng nóng nhất, làm giảm độ dày vỏ bọc. Các vùng mỏng hơn có độ dẫn nhiệt cao hơn, tạo ra vòng phản hồi tích cực làm tăng tốc độ quá nhiệt cục bộ.
Mất độ bền điện môi– Phần vỏ mỏng làm giảm biên độ cách điện, tăng nguy cơ hỏng hóc.
Biến dạng vĩnh viễn– Một khi PTFE đã bò trườn hoặc biến dạng, việc làm mát sẽ không khôi phục được hình dạng ban đầu. Vỏ bọc bị sập hoặc bong bóng không thể sửa chữa được.
Lỗi niêm phong– Vòng đệm vùng lạnh phụ thuộc vào độ khít giữa vỏ bọc PTFE và cụm đầu cuối. Creep có thể làm tổn hại đến sự phù hợp này, cho phép chất lỏng hoặc hơi xâm nhập.
Điều quan trọng cần lưu ý là giới hạn 110 độ áp dụng cho nhiệt độ vỏ bọc PTFE, không nhất thiết là nhiệt độ chất lỏng. Trong lò sưởi được thiết kế tốt, nhiệt độ vỏ bọc chỉ cao hơn nhiệt độ chất lỏng một chút vì nhiệt truyền hiệu quả từ dây điện trở sang chất lỏng. Tuy nhiên, nếu mật độ watt (công suất trên một đơn vị diện tích bề mặt) quá cao hoặc nếu mức chất lỏng giảm xuống dưới phần được làm nóng, nhiệt độ vỏ bọc có thể tăng cao hơn nhiều so với nhiệt độ chất lỏng ngay cả khi chất lỏng ở dưới 110 độ.
Giảm mật độ Watt cho dịch vụ nhiệt độ-cao
Bởi vìHiệu ứng nhiệt độ bền cơ học của PTFElàm giảm khả năng chịu đựng ứng suất của vật liệu, máy sưởi ngâm dành cho dịch vụ gần 110 độ phải hoạt động ở 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 một đơn vị diện tích bề mặt sưởi ấm, thường được biểu thị bằng watt trên inch vuông (W/in²) hoặc watt trên centimet vuông (W/cm²).
Hướng dẫn chung cho lò sưởi ngâm PTFE là:
Lên đến 60 độ (140 độ F)– Mật độ watt lên tới 25–30 W/in² (3,9–4,7 W/cm²) là có thể chấp nhận được.
60–90 độ (140–194 độ F)– Nên giảm mật độ watt xuống 15–20 W/in² (2,3–3,1 W/cm²).
90–110 độ (194–230 độ F)– Mật độ watt nên tiếp tục giảm xuống còn 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).
Trên 110 độ (230 độ F)– Lò sưởi ngâm PTFE thường không được khuyến khích hoạt động liên tục.
Trong thực tế, các giá trị này phải được điều chỉnh dựa trên ứng dụng cụ thể. Bể khuấy trộn có hệ số truyền nhiệt cao có thể chịu được mật độ watt cao hơn. Chất lỏng ứ đọng hoặc nhớt đòi hỏi mật độ watt thấp hơn. Mục đích là để đảm bảo nhiệt độ vỏ bọc PTFE không bao giờ vượt quá 110 độ tại bất kỳ điểm nào, kể cả những điểm nóng nhất gần dây điện trở bên trong.
Kiểm soát nhiệt độ như một biện pháp bảo vệ
Tôn trọng giới hạn 110 độ đòi hỏi phải đo nhiệt độ chính xác và kiểm soát đáng tin cậy. Bộ gia nhiệt ngâm phải được trang bị cảm biến nhiệt độ (cặp nhiệt điện hoặc RTD) được đặt càng gần bộ phận làm nóng hoặc bên trong vỏ bọc PTFE càng tốt. Bộ điều khiển phải được đặt ở giới hạn nhiệt độ tối đa cho phép và phải cung cấp một đường cắt an toàn giới hạn cao-để dự phòng.
Người ta quan sát thấy rằng nhiều hỏng hóc sớm của bộ gia nhiệt PTFE xảy ra 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 bao gồm:
Mức chất lỏng thấp để lộ một phần vỏ bọc được làm nóng ra không khí.
Đóng cặn hoặc bám cặn trên bề mặt vỏ bọc làm giảm khả năng truyền nhiệt.
Sự lưu thông kém tạo ra các vùng ứ đọng xung quanh lò sưởi.
Mật độ watt cao tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa dây bên trong và bề mặt vỏ bọc.
Mỗi yếu tố này có thể làm tăng nhiệt độ vỏ bọc đến mức gây tổn hại ngay cả khi nhiệt độ chất lỏng khối duy trì dưới 110 độ.
Phần kết luận
Nhiệt độ hoạt động ảnh hưởng trực tiếp đến tính toàn vẹn cơ học của vỏ bọc PTFE. cácHiệu ứng nhiệt độ bền cơ học của PTFElàm cho vật liệu mất độ bền kéo, dễ bị rão hơn và giảm khả năng chịu áp suất khi nhiệt độ tăng 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 đáng kể để gây ra biến dạng-lâu dài.
Giới hạn 110 độ phải được tôn trọng không phải như một thông số kỹ thuật trừu tượng mà như một sự cần thiết về mặt cơ học. Vượt quá giới hạn này có nguy cơ làm sập vỏ bọc, phồng lên, mỏng đi, hư hỏng vòng đệm và cuối cùng là sự cố về điện. Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ và mật độ watt thích hợp là rất cần thiết để duy trì tuổi thọ của lò sưởi. Bằng cách hoạt động trong phạm vi nhiệt độ được thiết kế và đảm bảo các điều kiện truyền nhiệt thích hợp, vỏ bọc PTFE có thể duy trì độ bền cơ học và tiếp tục bảo vệ bộ phận làm nóng bên trong trong nhiều năm hoạt động đáng tin cậy.
