Hoe beïnvloedt de thermische uitzettingscoëfficiënt van PTFE de montage en het ondersteuningsontwerp van de verwarmer?

Wanneer een PTFE-dompelverwarmer opwarmt van omgevings- naar bedrijfstemperatuur, neemt de lengte aanzienlijk toe. Als de verwarmer aan beide uiteinden stevig wordt vastgehouden, veroorzaakt deze uitzetting grote interne spanningen. Met deze beweging moet rekening worden gehouden bij de juiste montage van de verwarmer, en is een essentieel kenmerk dat vaak wordt genegeerd in industriële systemen.

PTFE thermische uitzettingscoëfficiënt
De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) meet hoeveel een materiaal zal uitzetten of krimpen bij elke graad temperatuurverandering. PTFE heeft een relatief hoge CTE-ongeveer 120 × 10⁻⁶ per graad Celsius (120 ppm per graad). Ter vergelijking: roestvrij staal (304 en 316) heeft een CTE van ongeveer 17*10^-6/C. PTFE zal dus ongeveer 7 keer meer uitzetten dan staal bij dezelfde temperatuurstijging.

Het praktische resultaat is prachtig. Een PTFE-verwarmer van 1 meter lang, verwarmd van een kamertemperatuur van 20 graden tot een typische bedrijfstemperatuur van 100 graden, zet uit met ongeveer:

ΔL=L 0 × CTE × ΔT=1.0 m × 120×10 −6 / graad × 80 graden=0.0096 m ≈ 9,6 mm

Voor een vast bevestigd onderdeel is een verandering van ongeveer 10 mm per meter lengte zeer substantieel. Bij grotere verwarmingstoestellen met een lengte van 3 of 4 meter kan de totale uitzetting wel 30-40 mm bedragen.

Materiaal Thermische uitzettingscoëfficiënt (×10-6/graad) bij 20-100 graden Uitzetting per meter per 80 graden Verhoging PTFE 120 – 130 ≈9,6 – 10,4 mm
PFA 120 – 140 ≈9,6 – 11,2 mm
Roestvrij staal (304/316) 16 – 18 ≈1,3 – 1,4 mm
Titanium (klasse 2) 8 – 9 ≈0,6 – 0,7 mm
PFA is een ander fluorpolymeer dat een vergelijkbare hoge uitzettingscoëfficiënt heeft. Sommige gespecialiseerde metalen verwarmingstoestellen maken gebruik van titanium, dat zelfs minder uitzet dan roestvrij staal. Het verschil tussen PTFE en welk metalen omhulselmateriaal of interne metalen kern dan ook is enorm.

Het montageprobleem veroorzaakt door de hoge uitzetting van PTFE
Over het algemeen bevat een PTFE-dompelverwarmer een inwendige metalen weerstandsdraad of kern. De metalen kern zet uit met een snelheid van ongeveer een-zevende van de snelheid van de omringende PTFE-mantel. Wanneer de verwarmer wordt verwarmd, wil het PTFE aanzienlijk meer uitzetten dan de metalen kern erin. Deze differentiële uitzetting veroorzaakt interne schuifspanningen op het grensvlak tussen PTFE en metaal.

Als de verwarmer ook extern wordt opgesloten (door harde klemmen, beugels of flenzen aan beide uiteinden), kan de PTFE-mantel niet vrijelijk in axiale richting uitzetten. De aldus gecreëerde mechanische spanning leidt tot een aantal faalwijzen:

Knikken of buigen - De PTFE-mantel is zachter dan metaal en heeft daarom de neiging om in het midden naar buiten te knikken, waardoor een gebogen of golvende vorm ontstaat die tankwanden of andere verwarmingselementen kan raken.

Scheuren op plaatsen waar spanningen geconcentreerd zijn - Stijve klemmen of scherpe steunranden zijn spanningsverhogers. Het PTFE zet uit en dringt tegen deze vaste plekken aan, waardoor scheuren kunnen ontstaan ​​die zich door de mantel kunnen verspreiden.

Trek-weg van de interne metalen kern - Differentiële uitzetting van de PTFE en de metalen kern, samen met externe beperkingen, kan ervoor zorgen dat de PTFE wegtrekt van de metalen uiteinden of wegkruipt van de kern, waardoor de weerstandsdraad wordt blootgesteld aan corrosieve procesvloeistoffen.

Een veel voorkomende fout bij industriële installaties is het behandelen van een PTFE-verwarmer als een metalen verwarmer, dat wil zeggen door hem vast te zetten met een aantal stevige steunen over de lengte ervan of hem aan zowel de boven- als onderkant vast te klemmen. Dit soort tactieken zullen vrijwel gegarandeerd vroegtijdig mislukken.

Praktische richtlijnen voor de installatie van PTFE thermische expansieverwarmers
Het uitgangspunt voor het monteren van PTFE thermische expansieverwarmers is dat de verwarmer vrij in de lengte kan uitzetten en inkrimpen, maar toch op de beoogde plaats in de tank of het vat kan blijven. Aanbevolen technieken zijn onder meer:

Alleen aan één uiteinde monteren.
De verwarmer mag slechts op één plek stevig worden gemonteerd – vaak het uiteinde (het koude uiteinde waar de elektrische aansluitingen worden gemaakt). Aan de andere kant moet de verwarmde lengte volledig vrij zijn om te glijden of te bewegen. Er mogen geen extra klemmen, beugels of geleidingen over de lengte van de PTFE-buis worden gemonteerd.

Zorg voor axiale beweging over-de-zijbeugels
Als er een montagebeugel over-de-zijkant wordt gebruikt, mag de beugel de PTFE-mantel niet stevig omklemmen. In plaats daarvan moet een losse-pasgeleider of een gleufconstructie worden gemaakt die de verwarmer verticaal houdt, maar ervoor zorgt dat de PTFE axiaal door de beugel kan bewegen als de temperatuur varieert. U kunt beginnen met een ruimte van ongeveer 2-3 mm tussen de huls en het beugelgat.

Vermijd te stijve L- en U-configuraties
Soms worden L-vormige verwarmingselementen (met een horizontale en een verticale poot) gebruikt voor bepaalde tankontwerpen. Als de twee benen, horizontaal en verticaal, aan hun uiteinden stevig zijn vastgemaakt, werkt de uitzetting van het ene been tegen het andere en wordt de hoek onderworpen aan aanzienlijke buigspanningen. In feite moet de L--vormige PTFE-verwarmer zo worden ontworpen dat één poot vrij kan bewegen, of dat de hoek een flexibele overgang moet hebben (bijvoorbeeld een grotere buigradius) om de differentiële uitzetting te absorberen.

Vrije eindruimte voor uitbreiding
Een verwarmingselement van 1-meter dat 10 mm uitzet, heeft aan het vrije uiteinde minimaal 10 mm lege ruimte nodig. Voor een heater die verticaal wordt opgehangen, betekent dit dat de onderkant van de heater de bodem van de tank of iets in de tank niet mag raken. Een afstand van 20-30 mm wordt aanbevolen om productietoleranties en mogelijke temperatuurschommelingen te compenseren.

Gebruik flexibele kabels in plaats van een starre leiding. Bevestigd aan de huls
De draden vanaf het aansluitpunt van de elektrische voeding moeten flexibel genoeg zijn om een ​​bescheiden beweging van het aansluitsamenstel mogelijk te maken wanneer de verwarmer uitzet en samentrekt. Een stijve metalen buis kan, wanneer deze rechtstreeks aan de terminalbehuizing is gekoppeld, bewegingskrachten naar het verbindingspunt overbrengen, wat de terminals kan beschadigen.

Wat gebeurt er als de uitbreiding beperkt is?
Uit praktijkervaring blijkt dat beperkte thermische uitzetting een van de belangrijkste oorzaken is van defecten aan de PTFE-verwarmer na elektrische overbelasting. Veelvoorkomende tekenen van falen zijn onder meer:

Schede-knik - Visuele inspectie met een kronkelige of golvende vorm.

Scheuren in de lengterichting - Scheuren evenwijdig aan de as van de verwarmer, beginnen gewoonlijk in de buurt van montageklemmen.

Scheiding van het uiteinde van de terminal - De PTFE-mantel glijdt weg van de terminal-ingietmassa, waardoor de weerstandsdraad bloot komt te liggen of een kanaal voor vloeistofpenetratie mogelijk wordt.

Interne draadbreuk - Cycli van uitzetting en samentrekking, wanneer ze worden tegengehouden, vermoeien de interne weerstandsdraad op de plaats waar deze de PTFE-mantel binnengaat.

Het bevestigingsmateriaal mag de PTFE-mantel niet radiaal samendrukken. PTFE kruipt onder constante drukspanning. Een slangklem of pijpklem die rond de PTFE wordt geklemd, zal uiteindelijk ontspannen als het materiaal koud-van de klem wegstroomt en de ongelijkmatige druk breuk kan veroorzaken.

Conclusie: Goede installatiepraktijken zijn net zo belangrijk als de kwaliteit van de verwarming
De thermische uitzettingscoëfficiënt van PTFE is ongeveer zeven maal die van roestvrij staal. Een PTFE-verwarmer met een lengte van 1- m zal ongeveer 10 mm uitsteken bij verwarming van omgevingstemperatuur tot 100 graden. Als deze uitzetting wordt beperkt, resulteren de mechanische spanningen die ontstaan ​​in knikken, breken of wegtrekken van de PTFE-mantel.

Voor een goede bevestiging van een PTFE-verwarming met thermische expansie is één enkel vast punt nodig, meestal aan het uiteinde, waarbij de rest van de verwarming vrij is om axiaal te bewegen. Schuiven moet toegestaan ​​zijn over-de-zijbeugels; L-vormige arrangementen mogen geen twee beperkingen hebben; en er moet voldoende ruimte zijn aan het vrije uiteinde. Deze ontwerptechnieken zijn geen optionele verbeteringen, maar van cruciaal belang voor een lange levensduur. De kwaliteit van de verwarming is van cruciaal belang, maar dat geldt ook voor goede installatieprocedures. Wanneer de mechanische effecten van thermische uitzetting op de juiste manier worden aangepakt, bieden PTFE-dompelverwarmers volledige chemische weerstand en elektrische isolatievoordelen zonder compromissen.