Како поновљени термички циклуси утичу на структурни интегритет савијеног ПТФЕ грејача?

Савијени ПТФЕ грејач који ради добро месецима може изненада да развије цурење или грешку у земљи. Основни проблем је често нагомилани замор од стотина циклуса грејања и хлађења, који стварају напетост тачно на кривини. Утицај поновљеног термичког циклуса на интегритет савијеног ПТФЕ грејача са термичким циклусом мора се разумети како би се одредили поуздани урањајући грејачи за апликације где се напајање често укључује и искључује, као што је обрада серије, купке са контролисаном температуром или повремене хемијске реакције.

Механизам: Диференцијално ширење на савијању ПТФЕ и унутрашње метално језгро (често отпорна жица од никла-хрома или легура бакра{1}}никла) имају веома различит коефицијент термичког ширења (ЦТЕ). Линеарни ЦТЕ ПТФЕ је отприлике 120 к 10^-6/степен, док је ЦТЕ од нерђајућег челика или металне отпорне жице приближно 17к10^-6/степен. ПТФЕ се шири око 7 пута више од метала при истом повећању температуре.

Током циклуса{0}}загревања, ПТФЕ омотач тежи да расте више од металног језгра. Код правог дела грејача ово диференцијално ширење се веома равномерно преузима по дужини. Али на кривини геометрија ограничава мобилност. ПТФЕ је већ напрегнут процесом савијања на спољашњој страни кривине и под притиском је изнутра. Ови делови су изложени повећаном механичком напрезању када их термичко ширење додатно оптерећује, што се не дешава у равним деловима.

Током хлађења, ПТФЕ се скупља више од метала, тако да поново долази до цикличког напрезања на кривини. Ефекат се повећава током времена; сваки циклус грејања и хлађења додаје скроман пораст оштећења од замора и металном језгру и ПТФЕ омотачу. Ово нагомилано оштећење може довести до пукотине, одвајања или потпуног електричног квара након стотина циклуса.

Замор металног језгра при цикличном напрезању
Метална отпорна жица у ПТФЕ грејачу је намењена да спроводи струју и да производи топлоту. > Метали су дуктилни, али имају ограничену границу замора. Метал формира микро-пукотине постепено под поновљеним затезним и компресивним напрезањима - управо онаквим напрезањима која се јављају при чврстом савијању током термичког циклуса. Пукотине настају при концентрацијама напона, као што је унутрашња површина савијања или где се дебљина жице мења.

Микро{0}}пукотине се временом шире дуж попречног пресека{1}}жице. Ово доводи до:

Повећан електрични отпор у зони квара, што доводи до локализованог грејања.

Отказивање отвореног кола ако се пукотина шири кроз целу жицу.

Лучни лук ако прекид отвара простор где струја скаче и прогоре кроз ПТФЕ омотач.

Искуство на терену је показало да ПТФЕ грејач савијен до минималног препорученог радијуса савијања (често 5 ОД) може да преживи повремене термичке циклусе, али грејач савијен чвршће од овога-или онај који је подвргнут веома честим циклусима-ће отказати много раније. Отказивање се обично дешава близу врха криве где је амплитуда деформације максимална.

Одвајање и микропукотине ПТФЕ омотача
ПТФЕ омотач није еластичан, не опоравља се у потпуности од истезања или компресије. Завој приказује два различита механизма погоршања са поновљеним циклусом температуре:

Затезни замор на спољашњем радијусу Спољна површина ПТФЕ савијања је продужена нешто више од преостале деформације последњег циклуса током сваког{0}}циклуса загревања. Након бројних циклуса, флуорополимер развија микроскопске шупљине и пуцање. Ове несавршености смањују диелектричну чврстоћу и обезбеђују канале за инфилтрацију течности.

Напрезање притиска на наборе и смицање на унутрашњем радијусу: Унутрашња површина савијања је у компресији током савијања и термичког ширења. Поновљена компресија узрокује наборање ПТФЕ-а или одвајање од металног језгра или диелектричног пунила. Одвајање ствара ваздушни јаз који смањује ефикасност преноса топлоте и дозвољава корозивним супстанцама да пузе дуж металне површине.

Хемијска баријера је нарушена када се ПТФЕ омотач одвоји од језгра или се формирају микро-пукотине. Процесне течности-киселине, растварачи или нагризајућа средства- прелазе на метал што доводи до корозије, цурења струје или квара на земљи. Овај сценарио квара је варљив по томе што грејач може да прође тест високе-пот (хипот) када је сув, али не успе када је уроњен у проводљиву течност.

Утицај величине промене температуре
Штета у сваком циклусу није константна, већ варира у зависности од величине температурне варијације. На пример, грејач који се пребацује између амбијенталне (20 степени) и максималне радне температуре од 110 степени замахује за 90 степени. Ово доводи до велике диференцијалне експанзије између ПТФЕ и метала и значајног цикличког напрезања. Замах је краћи, а оштећење од замора по циклусу је мање, са грејачем који се креће само између 60 степени и 90 степени.

У ствари, апликације које се често укључују и искључују (нпр. купатило које се напаја само током радног времена и које је дозвољено да се охлади преко ноћи) постављају знатно веће захтеве за термички циклус савијеног ПТФЕ грејача него грејач који ради непрекидно 24/7. Потоњи има мање температурних циклуса по јединици радног времена, али укупан број сати грејања може бити већи.

Приступи ублажавању за апликације склоне бициклизму
Поновљени термички циклуси ПТФЕ грејача, посебно на кривини, могу довести до бројних корака дизајна и спецификације који могу значајно продужити радни век.

Већи радијус савијања
Повећани радијус савијања је најкориснији корак. Радијус од 6 до 7 пута већи од спољашњег дела грејача смањује максимално оптерећење металног језгра и ПТФЕ омотача. Радијус средишње линије од 70 мм (7к) за грејач од 10 мм ОД производи много мање напрезања замора у сваком циклусу него радијус од 50 мм (5к). Произвођачи могу да имају бициклистичке{10}конструкције које предвиђају веће минималне радијусе за често искључење{11}}.

Доња густина вата
Мања густина у ватима доводи до смањења вршне температуре коју достиже ПТФЕ омотач током сваког циклуса грејања. Грејач од 5 В цм-2 може постићи 110 степени на површини омотача, док сличан грејач од 3 В цм-2 може постићи само 90 степени. Мања варијација температуре смањује диференцијално напрезање експанзије у сваком циклусу, а самим тим повећава век трајања замора.

Изградња без стреса
Неки произвођачи ПТФЕ грејача пружају дизајне направљене посебно за термички циклус. То може укључивати:

Зажарена метална језгра која су термички{0}}третирана да би се уклонила заостала напрезања при савијању.

Дебљи ПТФЕ зидови да апсорбују више материјала до цикличког напрезања без пуцања.

Флексибилне прелазне зоне на кривинама које садрже компатибилни лепљиви слој за везивање ПТФЕ-а за језгро како би се омогућила диференцијална мобилност.

Не формирајте кривину хладно
Грејачи који се савијају на лицу места инсталацијом (хладно обликовање) често добијају заостала напрезања која убрзавају отказивање услед замора. За бициклистичке примене, преферирају се фабрички-оформљене кривине са одговарајућим алатом и ослобађањем од напрезања.

Рано откривање оштећења услед термичког циклуса
Рутинско електрично тестирање може да идентификује проблеме са почетним замором пре него што доведу до катастрофалног цурења или квара на земљи. Корисне дијагностичке мере укључују:

Мерење изолационог отпора (ИР) пре сваке употребе: Постепено смањење ИР од почетне вредности (нпр. . 1000 МΩ на 10 МΩ) указује на микро- пукотине или улазак влаге.

Тест континуитета коришћењем омаметра високе{0}}резолуције: флуктуирајући или споро растући отпор може да укаже на растући прекид у металном језгру.

Термичка слика површине грејача током рада: Локализована врућа тачка на кривини показује већи отпор због пукнућа жице или лошег термичког контакта изазваног одвајањем омотача.

Закључак:
Поновљени термички циклуси су типичан, али понекад потцењен узрок прераног квара на кривини ПТФЕ урањајућег грејача. Диференцијална експанзија између ПТФЕ (високи ЦТЕ) и металног језгра (низак ЦТЕ) доводи до цикличних напона затезања, притиска и смицања фокусираних на криву. Током стотина циклуса ови притисци доводе до пуцања метала од замора и одвајања омотача, смањујући електричну сигурност и хемијску отпорност. Веза са термичким циклусом савијеног птфе грејача је директна. Више циклуса, чвршће кривине, бржа деградација.

За ублажавање је потребан свеобухватан приступ-којим се наводи већи радијус савијања (6-7× ОД), смањење густине у ватима да би се минимизирале промене температуре и одабир структуре грејача погодне за цикличну употребу. Поуздан грејач такође захтева спецификацију радног циклуса (укључено-искључено фреквенције). Грејач за повремени рад серије мора бити чвршћи од оног који се користи за континуирани рад. Ако сте у недоумици, произвођач може да обезбеди прилагођено решење засновано на свеобухватном броју циклуса и подацима о променама температуре, облику равнотеже, цени и дуготрајној издржљивости.