อะไรคือผลกระทบของอุณหภูมิในการทำงานต่อความแข็งแรงทางกลของปลอกเครื่องทำความร้อน PTFE?

PTFE เป็นวัสดุที่แข็งแรงและทนทานที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตามคุณสมบัติทางกลของมันจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE อย่างเหมาะสมภายในขอบเขตการออกแบบ เปลือกของเครื่องทำความร้อน PTFE ไม่เพียงแต่ให้ความทนทานต่อสารเคมีเท่านั้น นอกจากนี้ยังต้องต้านทานแรงดันของของเหลวที่อยู่รอบๆ ต้านทานการเสียรูปเมื่อเวลาผ่านไป และคงรูปร่างไว้ ฟังก์ชั่นทางกลทั้งหมดนี้เสื่อมลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความแข็งแรงเชิงกลของ PTFE จึงเป็นข้อกังวลที่สำคัญสำหรับทุกคนที่ระบุ ติดตั้ง หรือใช้งานเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE

อุณหภูมิส่งผลต่อโครงสร้างโมเลกุลของ PTFE อย่างไร
PTFE เป็นพอลิเมอร์กึ่งผลึก ในส่วนของผลึกซึ่งสลับกับส่วนที่เป็นรูปสัณฐาน (ไม่เป็นระเบียบ) โซ่โมเลกุลจะถูกอัดแน่นที่อุณหภูมิห้อง โครงสร้างนี้ทำให้ PTFE มีความแข็งแรงโดยทั่วไป แรงเสียดทานต่ำ และความเฉื่อยทางเคมี เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การสั่นสะเทือนของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น และชิ้นส่วนอสัณฐานจะเริ่มอ่อนตัวลงก่อนที่ส่วนที่เป็นผลึกจะละลาย

อุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่องสูงสุดที่ตกลงโดยทั่วไปของ PTFE ในบริการเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มคือ 110°C ขีดจำกัดนี้ไม่แน่นอน ที่อุณหภูมินี้ การเปลี่ยนแปลงทางกล 3 แบบแยกกันจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว:

ความต้านทานแรงดึงน้อยลง - ปริมาณความพยายามที่จำเป็นในการยืดหรือฉีกปลอก PTFE ลดลงอย่างมาก

การคืบที่เพิ่มขึ้น - ภายใต้ภาระคงที่ (เช่น แรงดันของเหลวหรือแรงภายในจากลวดต้านทาน) PTFE จะค่อยๆ งอตามเวลา

• ความต้านทานต่อแรงดันต่ำ - ปลอกหุ้มมีแนวโน้มที่จะยุบตัวหรือพองตัวได้ง่ายกว่าภายใต้แรงดันที่แตกต่างกัน

พบว่า PTFE จะไม่ละลายจนถึงอุณหภูมิ 327 องศา แม้ว่าคุณสมบัติเชิงกลจะใช้เวลานานก่อนหน้านั้นก็ตาม สำหรับการใช้งานเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม ขีดจำกัดบนที่เป็นไปได้สำหรับการทำงานต่อเนื่องคือ 110 องศา

การเปลี่ยนแปลงความต้านแรงดึงตามอุณหภูมิ
ความต้านแรงดึงคือความเค้นดึง (ยืด) สูงสุดที่วัสดุสามารถรับได้ก่อนที่จะแตกหัก สำหรับ PTFE คุณลักษณะนี้จะลดลงอย่างซ้ำซากจำเจตามอุณหภูมิ ตารางด้านล่างนี้เกี่ยวข้องกับค่าโดยประมาณจากขั้นตอนการทดสอบทั่วไป (ASTM D638)

อุณหภูมิ ( องศา ) อุณหภูมิ ( องศา F) ความต้านแรงดึงโดยประมาณ (MPa) ความต้านแรงดึงโดยประมาณ psi% ของค่าที่อุณหภูมิห้อง
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% 
หมายเหตุ: ค่าต่างๆ เป็นเพียงตัวบ่งชี้ ความต้านทานแรงดึงที่แท้จริงขึ้นอยู่กับเกรด PTFE ความตกผลึก และสภาวะการทดสอบ

ความต้านแรงดึงของ PTFE ที่ 100 องศา มีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของที่ 23 องศา ที่ 110 องศา อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ 40% ของค่าอุณหภูมิโดยรอบ การลดลงอย่างมากของความเครียดทางกล ไม่ว่าจะเกิดจากแรงดันของเหลว การขยายตัวทางความร้อน หรือการขนย้าย ทำให้เกิดความเสียหายที่อุณหภูมิสูงได้มีโอกาสเป็นไปได้มากขึ้น

คืบคลานและโหลดการเสียรูป
ข้อเสียเปรียบที่สำคัญประการหนึ่งของ PTFE ที่อุณหภูมิสูงคือแนวโน้มที่จะคืบคลาน คืบคือการบิดเบือนของสารเมื่อเวลาผ่านไปภายใต้ภาระคงที่ แม้ว่าโลหะจะมีอุณหภูมิในการคืบต่ำกว่า แต่ PTFE จะคืบคลานที่อุณหภูมิใดๆ ก็ตามที่อยู่เหนือสภาพแวดล้อม อัตราการคืบจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามอุณหภูมิ

สำหรับปลอกตัวทำความร้อน PTFE โหลดที่ใช้บังคับคือ:

แรงดันของเหลวภายนอก - แรงดันอุทกสถิตในถังลึกสามารถสูงถึง 0.1 บาร์ต่อความลึกเมตร แรงกดนี้จะต่ำสุดที่ 2-3 เมตร แต่เมื่อจับคู่กับอุณหภูมิสูงอาจทำให้เปลือกพังหรือบุ๋มได้ช้าๆ

ความเค้นภายในจากลวดต้านทาน - องค์ประกอบความร้อนที่เป็นโลหะถูกฝังอยู่ใน PTFE การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของโลหะและ PTFE ทำให้เกิดความตึงเครียดภายใน ที่อุณหภูมิสูง PTFE จะบรรเทาความเครียดเหล่านี้โดยการคืบ ซึ่งอาจปรับเปลี่ยนรูปร่างของปลอกได้

แรงยึดหรือแรงยึด - แรงยึดเหนี่ยวทางกลใดๆ ที่ใช้กับเครื่องทำความร้อน (เช่น ฉากยึด หน้าแปลน หรือส่วนรองรับ) อาจทำให้เกิดความเข้มข้นของความเค้นเฉพาะที่ การคืบอาจทำให้ PTFE ไหลออกจากจุดที่มีแรงดันสูง และทำให้เกิดการคลายหรือซีลล้มเหลว

คืบไม่ค่อยเป็นหายนะในทางปฏิบัติในระยะสั้น เครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ 105 องศาจะไม่เกิดการบิดเบี้ยวที่ชัดเจนเป็นเวลาหลายเดือนหรือหลายปี แต่การคืบคลานเมื่อเวลาผ่านไปอาจทำให้ฝักบางลงในบางตำแหน่ง ความเป็นฉนวนและการป้องกันทางกลลดลง ที่สำคัญกว่านั้น การคืบคลานที่การสัมผัสระหว่างปลอก PTFE และซีลขั้วต่ออาจทำให้ความชื้นหรือไอที่มีฤทธิ์กัดกร่อนผ่านไปถึงเครื่องทำความร้อนได้

ความเสี่ยงจากการยุบตัวหรือบอลลูนและการต้านทานต่อแรงกดดัน
ปลอกเครื่องทำความร้อน PTFE ไม่ใช่ภาชนะรับแรงดัน ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานที่หรือใกล้กับความดันบรรยากาศทั้งภายในและภายนอก ห้องภายในซึ่งมีลวดต้านทานอยู่นั้นไม่มีแรงดัน แต่จะเต็มไปด้วย PTFE หรืออากาศที่ความดันบรรยากาศ กลไกความล้มเหลวสองประการที่เกี่ยวข้องกับแรงดันมีดังนี้:

การยุบตัวของแรงดันภายนอก - หากแรงดันของเหลวภายนอกสูงกว่าความดันภายในมาก ปลอกอาจยุบเข้าด้านในได้ มีโอกาสเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากโมดูลัสยืดหยุ่น (ความแข็ง) ของ PTFE จะลดลง การยุบตัวมักหมายถึงส่วนที่แบนหรือบุ๋มของฝัก

การพองตัวของแรงดันภายใน - PTFE ที่ร้อนและอ่อนตัวสามารถพองตัวออกไปด้านนอกได้ หากช่องภายในได้รับแรงดันเนื่องจากมีก๊าซออกหรือการขยายตัวของก๊าซที่ติดอยู่ พบได้น้อยแต่เป็นไปได้เมื่อความชื้นภายในเครื่องทำความร้อนเปลี่ยนเป็นไอน้ำ

ความล้มเหลวทั้งสองประเภทได้รับการควบคุมโดยตรงโดยเอฟเฟกต์อุณหภูมิความแข็งแรงเชิงกลของ PTFE PTFE สามารถทนแรงดันต่าง ๆ ได้หลายบาร์ที่ 23 องศา โดยไม่เสียรูปถาวร ที่ 110 องศา ความกดดันที่แตกต่างเท่ากันอาจทำให้เกิดการพังทลายหรือพองตัวในทันที ดังนั้นจึงไม่ควรใช้เครื่องทำความร้อน PTFE สำหรับการใช้งานแรงดันสูงหรือในบริเวณที่อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันอย่างรวดเร็ว

ผลกระทบของการเกินขีดจำกัด 110 องศาต่อเนื่อง
การทัศนศึกษาระยะสั้นที่สูงกว่า 110 องศาเล็กน้อยอาจยอมรับได้โดยไม่เกิดความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว แต่ถ้าคุณใช้เกินขีดจำกัดนี้ซ้ำๆ หรือเป็นเวลานาน คุณอาจสร้างความเสียหายถาวรได้ ผลที่ตามมาที่สังเกตได้ ได้แก่ :

การทำให้ปลอกบางลงและจุดร้อนเฉพาะจุด: การคืบช่วยให้ PTFE ไหลออกจากบริเวณที่ร้อนที่สุด และทำให้ปลอกบางลง บริเวณที่บางกว่าจะมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า วงจรป้อนกลับเชิงบวกนี้ส่งผลให้จุดร้อนในพื้นที่ร้อนเร็วขึ้น

การสูญเสียความเป็นฉนวน - ส่วนที่บางของเปลือกทำให้ขอบของฉนวนไฟฟ้าลดลง และเพิ่มอันตรายจากการแตกหัก

การเสียรูปถาวร - เมื่อ PTFE ย่อตัวหรือบิดเบี้ยว การระบายความร้อนจะไม่ทำให้กลับมามีรูปทรงเดิม ไม่มีทางแก้ไขปลอกที่ยุบหรือพองได้

ซีลชำรุด - ซีลในบริเวณเย็นต้องอาศัยความพอดีระหว่างปลอก PTFE และชุดขั้วต่อ การคืบคลานสามารถคลายความพอดีนี้และปล่อยให้ของเหลวหรือไอระเหยเข้าไปได้

ควรสังเกตว่าขีดจำกัด 110 องศานั้นใช้สำหรับอุณหภูมิของปลอก PTFE ซึ่งไม่จำเป็นต้องเป็นอุณหภูมิของเหลวจำนวนมาก ในเครื่องทำความร้อนที่สร้างขึ้นอย่างถูกต้อง อุณหภูมิของปลอกจะสูงกว่าอุณหภูมิของเหลวเพียงเล็กน้อย เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจากลวดต้านทานไปยังของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ด้วยความหนาแน่นของวัตต์สูง (กำลังต่อหน่วยพื้นที่ผิว) หรือมีระดับของเหลวต่ำกว่าส่วนที่ให้ความร้อน อุณหภูมิของปลอกอาจเกินอุณหภูมิของของเหลวได้มาก แม้ว่าของเหลวจะต่ำกว่า 110 องศาก็ตาม

ค่าความหนาแน่นวัตต์บริการ-สูง-
ความแข็งแรงเชิงกลของ PTFE นั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ-และส่งผลต่อความสามารถของวัสดุในการต้านทานความเครียด และด้วยเหตุนี้ เครื่องทำความร้อนแบบจุ่มที่ทำงานที่อุณหภูมิเกือบ 110 องศา จะต้องมีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่าเครื่องทำความร้อนที่ใช้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ความหนาแน่นของวัตต์คือกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกต่อพื้นที่ของพื้นผิวทำความร้อน และโดยทั่วไปจะแสดงเป็นวัตต์ต่อตารางนิ้ว (W/in 2 ) หรือวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร (W/cm 2 )

คำแนะนำทั่วไปสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE คือ:

ความหนาแน่นของวัตต์ที่ยอมรับได้สูงถึง 25-30 W/in2 (3.9-4.7 W/cm2) ที่อุณหภูมิ 60 องศา (140 องศา F)

60–90 องศา (140-194 องศา F) – ความหนาแน่นวัตต์ต่ำ 15–20 W/in 2 (2.3–3.1 W/cm 2 )

90-110 องศา (194–230 องศา F) – จำเป็นต้องลดความหนาแน่นของวัตต์เพิ่มเติมเป็น 10–15 W/in² (1.6–2.3 W/cm²)

สูงกว่า 110 องศา (230 องศา F) - เครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE มักไม่แนะนำให้ใช้เป็นเวลานาน

ในทางปฏิบัติ จะต้องปรับค่าเหล่านี้ให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ ความหนาแน่นของวัตต์ที่สูงขึ้นสามารถทนได้ในอ่างปั่นที่มีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูง ความหนาแน่นของวัตต์ที่ต่ำกว่าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับของเหลวนิ่งหรือของเหลวหนืด วัตถุประสงค์คือเพื่อรับประกันว่าไม่มีที่ไหนเลยที่มีอุณหภูมิของปลอก PTFE เกินกว่า 110 องศา แม้จะอยู่ในตำแหน่งที่ร้อนที่สุดใกล้กับลวดต้านทานภายในก็ตาม

การควบคุมอุณหภูมิเป็นการป้องกัน
หากต้องการสังเกตขีดจำกัดที่ 110 องศา จำเป็นต้องมีการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำและการควบคุมที่เชื่อถือได้ เครื่องทำความร้อนแบบแช่ควรมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิ (เทอร์โมคัปเปิลหรือ RTD) ใกล้กับองค์ประกอบความร้อนมากที่สุดหรือภายในปลอก PTFE เพิ่มจุดตัดด้านความปลอดภัยที่มีขีดจำกัดสูง-เพื่อสำรองการจำกัดอุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาตบนตัวควบคุม

มีการค้นพบว่าความล้มเหลวของฮีตเตอร์ PTFE ก่อนกำหนดส่วนใหญ่ไม่ได้เกิดจากอุณหภูมิที่ตั้งไว้สูงเกินไป แต่เกิดจากความร้อนสูงเกินไปเฉพาะที่ ปัจจัยที่ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น:

ระดับของเหลวต่ำทำให้ส่วนหนึ่งของปลอกทำความร้อนสัมผัสกับอากาศ

การเปรอะเปื้อนบนพื้นผิวเปลือก ส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนลดลง

การไหลเวียนของอากาศรอบๆ เครื่องทำความร้อนไม่ดี ส่งผลให้พื้นที่นิ่ง

ความหนาแน่นของวัตต์สูงส่งผลให้มีการไล่ระดับอุณหภูมิสูงระหว่างลวดภายในกับพื้นผิวของเปลือก

เงื่อนไขข้อใดข้อหนึ่งเหล่านี้สามารถเพิ่มอุณหภูมิของปลอกให้อยู่ในระดับที่เป็นอันตรายได้ แม้ว่าอุณหภูมิของเหลวที่เทกองจะต่ำกว่า 110 องศาก็ตาม

ข้อสรุป
อุณหภูมิในการทำงานส่งผลโดยตรงต่อความสมบูรณ์ทางกลของปลอก PTFE อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความแข็งแรงเชิงกลของ PTFE ส่งผลให้สูญเสียความต้านทานแรงดึง เพิ่มความไวต่อการคืบคลาน และลดความต้านทานต่อแรงกดของวัสดุที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อม ที่ขีดจำกัดการบริการต่อเนื่องที่ 110 องศา PTFE จะคงความต้านทานแรงดึงที่อุณหภูมิห้องเพียงประมาณ 40% และอัตราการคืบคลานจะมากพอที่จะทำให้เกิดการเสียรูปในระยะยาว

ขีดจำกัด 110C ไม่ใช่ตัวเลขที่กำหนดเอง แต่เป็นขีดจำกัดทางกล เกินขีดจำกัดนี้อาจทำให้เกิดการยุบตัวของปลอก พองตัว บางลง ซีลขัดข้อง และไฟฟ้าเสียในขั้นสุดท้าย ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิและความหนาแน่นของวัตต์ที่ถูกต้องจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยืดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน เมื่อใช้งานภายในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิที่ได้รับการออกแบบและมีเงื่อนไขการถ่ายเทความร้อนที่ยอมรับได้ ปลอก PTFE จะยังคงรักษาความแข็งแรงเชิงกลและปกป้ององค์ประกอบความร้อนภายในสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้นานหลายปี