Kā atkārtota termiskā riteņbraukšana ietekmē saliekta PTFE sildītāja strukturālo integritāti?

Saliektam PTFE sildītājam, kas labi darbojas vairākus mēnešus, pēkšņi var rasties noplūde vai zemējuma defekts. Pamatproblēma bieži vien ir simtiem apkures un dzesēšanas ciklu uzkrātais nogurums, kas rada sasprindzinājumu tieši līkumā. Ir jāsaprot atkārtotas termiskās cikla ietekme uz termiskā cikla saliektā PTFE sildītāja integritāti, lai norādītu uzticamus iegremdējamos sildītājus lietojumiem, kuros strāva tiek bieži ieslēgta un izslēgta, piemēram, sērijveida apstrāde, vanniņas ar kontrolētu temperatūru vai periodiskas ķīmiskas reakcijas.

Mehānisms: Diferenciālā izplešanās līkumā PTFE un iekšējam metāla serdenim (bieži vien niķeļa -hroma pretestības stieplei vai vara-niķeļa sakausējumam) ir ļoti atšķirīgs termiskās izplešanās koeficients (CTE). PTFE lineārais CTE ir aptuveni 120 x 10^-6/grādi, savukārt nerūsējošā tērauda vai metāla pretestības stieples CTE ir aptuveni 17 x 10^-6/grādi. Pie tādas pašas temperatūras paaugstināšanās PTFE izplešas apmēram 7 reizes vairāk nekā metāls.

Uzsilšanas{0}}cikla laikā PTFE apvalks cenšas augt vairāk nekā metāla serde. Taisnā sildītāja posmā šī diferenciālā izplešanās tiek uzņemta ļoti vienmērīgi visā garumā. Bet līkumā ģeometrija ierobežo mobilitāti. PTFE jau ir nospriegts lieces procesā līknes ārpusē, un tas tiek saspiests iekšpusē. Šīs daļas tiek pakļautas pastiprinātai mehāniskai slodzei, kad termiskā izplešanās rada tām papildu slodzi, kas nenotiek taisnos posmos.

Atdzesēšanas laikā PTFE saraujas vairāk nekā metāls, tādējādi līkumā atkal rodas cikliska deformācija. Efekts uzkrājas laika gaitā; katrs sildīšanas un dzesēšanas cikls rada nelielu noguruma bojājumu pieaugumu gan metāla serdei, gan PTFE apvalkam. Šis uzkrātais bojājums var izraisīt plaisu, atdalīšanu vai pilnīgu elektrības atteici pēc simtiem ciklu.

Metāla serdes noguruma cikliskā deformācijas plaisāšana
Metāla pretestības stieple PTFE sildītājā ir paredzēta strāvas vadīšanai un siltuma radīšanai. > Metāli ir elastīgi, tomēr tiem ir ierobežots noguruma ierobežojums. Metāls pakāpeniski veido mikro-plaisas pie atkārtotām stiepes un spiedes deformācijām - tieši tādas deformācijas, kādas rodas šaurā līkumā termiskās cikla laikā. Plaisas rodas sprieguma koncentrācijās, piemēram, iekšējā līkuma virsmā vai vietās, kur mainās stieples biezums.

Mikro-plaisas laika gaitā izplatās pa stieples šķērsgriezumu-. Tas rada:

Palielināta elektriskā pretestība plīsuma zonā, kā rezultātā lokāla apkure.

Atvērtas ķēdes bojājums, ja plaisa izplatās pa visu vadu.

Loka, ja pārtraukums atver telpu, kurā strāva lec un izdeg cauri PTFE apvalkam.

Lauka pieredze liecina, ka PTFE sildītājs, kas saliekts līdz minimālajam ieteicamajam lieces rādiusam (bieži vien 5 OD), var izturēt neregulāru termisko ciklu, bet sildītājs, kas saliekts ciešāk par šo-vai sildītājs, kas ir pakļauts ļoti biežai cikliskumam-, sabojāsies daudz ātrāk. Kļūme parasti notiek līknes virsotnes tuvumā, kur deformācijas amplitūda ir maksimālā.

PTFE apvalka atdalīšana un mikroplaisāšana
PTFE apvalks nav elastīgs, tas pilnībā neatgūstas no stiepšanās vai saspiešanas. Liekumā ir divi dažādi nolietošanās mehānismi ar atkārtotu temperatūras ciklu:

Stiepes nogurums uz ārējā rādiusa PTFE lieces ārējā virsma tiek pagarināta nedaudz vairāk nekā pēdējā cikla atlikušā deformācija katrā uzkarsēšanas ciklā{0}}. Pēc vairākiem cikliem fluorpolimērā veidojas mikroskopiski tukšumi un veidojas plaisas. Šīs nepilnības pasliktina dielektrisko izturību un nodrošina kanālus šķidruma infiltrācijai.

Spiedes krokošanās un bīdes spriegums uz iekšējā rādiusa: lieces iekšējā virsma ir saspiesta lieces un termiskās izplešanās laikā. Atkārtota saspiešana izraisa PTFE saburzīšanu vai atdalīšanu no metāla serdes vai dielektriskās pildvielas. Atdalīšana rada gaisa spraugu, kas samazina siltuma pārneses efektivitāti un ļauj kodīgām vielām slīdēt gar metāla virsmu.

Ķīmiskā barjera tiek pārtraukta, kad PTFE apvalks atslāņojas no kodola vai veidojas mikro{0}}plaisas. Procesa šķidrumi -skābes, šķīdinātāji vai kaustiskās vielas- pārvietojas uz metālu, izraisot koroziju, elektrības noplūdi vai zemējuma defektu. Šis atteices scenārijs ir maldinošs, jo sildītājs var izturēt augstas -poda (hipot) pārbaudi, kad tas ir nožuvis, bet neizdoties, kad tas ir iegremdēts vadošā šķidrumā.

Temperatūras svārstību lieluma ietekme
Katra cikla bojājumi nav nemainīgi, bet mainās atkarībā no temperatūras svārstību lieluma. Piemēram, sildītājs, kas pārslēdzas no apkārtējās vides (20 grādiem) uz maksimālo darba temperatūru 110 grādiem, svārstās par 90 grādiem. Tas noved pie milzīgas atšķirības starp PTFE un metālu un ievērojamu ciklisku deformāciju. Šūpoles ir īsākas, un noguruma radītais bojājums ciklā ir mazāks, ja sildītājs darbojas tikai no 60 līdz 90 grādiem.

Faktiski lietojumprogrammas, kuras bieži tiek ieslēgtas un izslēgtas (piemēram, vanna, kas tiek darbināta tikai darba laikā un ļauj atdzist visu nakti), izvirza ievērojami augstākas prasības attiecībā uz termiskā cikla saliektā PTFE sildītāja integritāti nekā sildītājam, kas darbojas nepārtraukti 24 stundas diennaktī. Pēdējam ir mazāk temperatūras ciklu uz darbības laika vienību, bet kopējais apsildāmo stundu skaits var būt lielāks.

Seku mazināšanas pieejas lietojumiem, kas pakļauti riteņbraukšanai
Atkārtota PTFE sildītāja termiskā cikla maiņa, jo īpaši līknē, var novest pie vairākiem projektēšanas un specifikācijas soļiem, kas var ievērojami pagarināt kalpošanas laiku.

Lielāks līkuma rādiuss
Palielināts lieces rādiuss ir visizdevīgākais solis. Rādiuss, kas ir 6 līdz 7 reizes lielāks par sildītāja OD, samazina maksimālo slodzi uz metāla serdi un PTFE apvalku. 70 mm viduslīnijas rādiuss (7x) 10 mm OD sildītājam rada daudz mazāku noguruma spriegumu katrā ciklā nekā 50 mm rādiuss (5x). Ražotājiem var būt riteņbraukšanas{10}}novērtētās konstrukcijas, kas nosaka lielāku minimālo rādiusu biežai ieslēgšanai{11}}izslēgšanai.

Zemāks vatu blīvums
Zemāks vatu blīvums noved pie maksimālās temperatūras samazināšanās, ko PTFE apvalks sasniedz katra apkures cikla laikā. 5 W cm-2 sildītājs var sasniegt 110 grādus pie apvalka virsmas, savukārt līdzīgs sildītājs ar 3 W cm-2 var sasniegt tikai 90 grādus. Mazākas temperatūras svārstības samazina diferenciālo izplešanās deformāciju katrā ciklā, tādējādi palielinot noguruma kalpošanas laiku.

No stresa atbrīvota konstrukcija
Daži PTFE sildītāju ražotāji piedāvā konstrukcijas, kas īpaši izstrādātas termiskai cikliskumam. Tie var ietvert:

Rūdītas metāla serdes, kas ir termiski{0}}apstrādātas, lai noņemtu atlikušos lieces deformācijas.

Biezākas PTFE sienas, lai absorbētu vairāk materiāla cikliskajai deformācijai bez plaisāšanas.

Elastīgas pārejas zonas līkumā, kas ietver saderīgu līmes slāni PTFE savienošanai ar serdi, lai nodrošinātu diferenciālu mobilitāti.

Neveidojiet līkumu auksti
Sildītāji, kas ir saliekti uz vietas ar instalāciju (aukstā formēšana), bieži iegūst atlikušās deformācijas, kas paātrina noguruma bojājumus. Riteņbraukšanai priekšroka tiek dota rūpnīcā-veidotiem līkumiem ar pareizu instrumentu un spriedzes mazināšanu.

Agrīna termisko riteņbraukšanas bojājumu noteikšana
Regulāra elektriskā pārbaude var identificēt sākumposma noguruma problēmas, pirms tās izraisa katastrofālu noplūdi vai zemējuma defektu. Noderīgi diagnostikas pasākumi ir:

Izolācijas pretestības (IR) mērīšana pirms katras lietošanas reizes: pakāpeniska IR samazināšanās no sākotnējās vērtības (piem., . 1000 MΩ līdz 10 MΩ) norāda uz mikro-plaisām vai mitruma iekļūšanu.

Nepārtrauktības pārbaude, izmantojot augstas{0}}izšķirtspējas ommetru: svārstīga vai lēni pieaugoša pretestība var liecināt par pieaugošu metāla serdes lūzumu.

Sildītāja virsmas termiskais attēls darbības laikā: lokāls karstais plankums līknē parāda lielāku pretestību saplīsušas stieples vai slikta termiskā kontakta dēļ, ko izraisa apvalka atdalīšanās.

Secinājums:
Atkārtota termiskā cikla maiņa ir tipisks, bet dažkārt nepietiekami novērtēts iemesls priekšlaicīgai atteicei PTFE iegremdējamā sildītāja līkumā. Atšķirīgā izplešanās starp PTFE (augsts CTE) un metāla serdi (zems CTE) izraisa cikliskus stiepes, spiedes un bīdes spriegumus, kas fokusēti uz līkni. Simtiem ciklu laikā šie spiedieni izraisa metāla noguruma plaisāšanu un apvalka atdalīšanu, samazinot elektrisko drošību un ķīmisko izturību. Saistība ar termisko ciklu saliekta ptfe sildītāja integritāti ir tieša. Vairāk ciklu, stingrāki līkumi, ātrāka degradācija.

Lai mazinātu problēmas, nepieciešama visaptveroša pieeja,{0}}norādot lielāku līkuma rādiusu (6-7 × OD), samazinot vatu blīvumu, lai samazinātu temperatūras svārstības, un izvēloties sildītāja struktūru, kas piemērota cikliskai lietošanai. Uzticamam sildītājam ir nepieciešama arī darbības cikla specifikācija (ieslēgšanas -izslēgšanas frekvence). Sildītājam, kas paredzēts periodiskai darbībai, ir jābūt izturīgākam nekā tam, ko izmanto nepārtrauktai darbībai. Ja rodas šaubas, ražotājs var nodrošināt pielāgotu risinājumu, pamatojoties uz visaptverošiem ciklu skaitīšanas un temperatūras svārstību datiem, līdzsvarošanas formu, izmaksām un ilgtermiņa izturību.