Como selecionar um aquecedor de PTFE com revestimento de parede-espesso para aplicações de alta-pressão?

Um aquecedor de imersão básico de PTFE com parede de 0,8 mm é suficiente para tanques abertos e vasos selados de baixa pressão. Mas para um reator químico de alta pressão trabalhando a 10 bar e acima, o aquecedor é um componente limite de pressão. A minúscula parede de polímero simplesmente não é forte o suficiente para resistir à força sustentada. A resposta é um aquecedor de alta pressão projetado especificamente - a bainha de PTFE ou PFA é muito mais espessa. Esta parede mais espessa oferece a resistência mecânica necessária para manter a pressão com segurança, mas com uma penalidade térmica bem definida que o projetista deve aceitar.

Papel limite de pressão do aquecedor de PTFE-em sistemas de alta-pressão
A bainha de PTFE em um tanque aberto (pressão atmosférica) serve apenas para isolar o elemento de aquecimento do líquido corrosivo. A única diferença de pressão através da bainha é a altura hidrostática do líquido (geralmente 0,5 bar). Basta usar uma espessura de parede normal de 0,5–0,8 mm. Entretanto, em um recipiente pressurizado selado, toda a pressão interna é aplicada à superfície externa de uma bainha do aquecedor (assumindo que o aquecedor esteja totalmente imerso e a pressão seja transmitida uniformemente por todo o líquido). Ou, quando o aquecedor atravessa uma conexão de limite de pressão, a bainha deve ser capaz de suportar a pressão diferencial entre o lado do processo e o elemento de aquecimento interno (que está à pressão atmosférica através da caixa de terminais). Em ambos os casos, a bainha de PTFE é um componente de retenção de pressão e deve ser construída adequadamente.

A bainha de parede espessa do aquecedor de PTFE não é um material de alta resistência e as aplicações que usam alta pressão requerem uma engenharia cuidadosa. À temperatura ambiente, a resistência à tração é de cerca de 20 a 30 MPa, mas diminui acentuadamente em temperaturas mais altas. O PTFE também apresenta fluência (fluxo frio) sob estresse mecânico contínuo-que irá distorcer lentamente ao longo do tempo. Uma parede espessa compensa isso, espalhando a tensão do arco por uma seção transversal-mais ampla e, portanto, reduzindo a tensão por unidade de área e o tempo até a falha.

Parâmetros de seleção importantes para mangas de PTFE de parede-espessa
1. Grau de pressão e espessura da parede
A pressão de trabalho máxima permitida (MAWP) para um tubo de PTFE (ou uma bainha-de extremidade fechada) é determinada pela fórmula de Barlow (para tubos-de paredes finas) ou pela equação de Lame (para tubos-de paredes espessas). Para um determinado diâmetro interno (o diâmetro da cavidade do elemento de aquecimento), quanto mais espessa for a parede, maior será a classificação de pressão. As espessuras típicas de bainhas de PTFE ou PFA de alta pressão são:

Espessura da parede (mm) Pressão máxima típica (bar) a 20 graus Pressão máxima típica (bar) a 100 graus 0,8 (padrão) 3-5 1-2 1.2 8-10 3-5 1.5 12-15 5-7 2.0 18-22 8-10
Nota: Estes são valores de exemplo. As classificações reais dependem do grau preciso do polímero (PTFE versus PFA), do processo de fabricação (extrudado versus moldado) e do fator de segurança utilizado (geralmente 3 a 5 vezes).

Normalmente é necessária uma espessura de parede de 1,5 mm ou mais para atingir uma pressão nominal de 10 bar a 80 graus. Para aquecedores de pequeno diâmetro, por exemplo, . 10 mm de diâmetro externo, não há muito espaço para o elemento de aquecimento com parede de 2,0 mm e a cavidade interna pode ter que ser rebaixada. O estudo de tensão deve ser realizado pelo fabricante do aquecedor nas dimensões reais e condições de serviço.

2. Selecionando um Material: PTFE ou PFA?
PTFE e PFA são ambos fluoropolímeros com resistência química comparável. Para aplicações de alta pressão, o PFA é preferido em relação ao PTFE convencional porque:

resistência à tração mais forte: o PFA tem uma resistência mecânica um pouco mais forte em temperaturas mais altas.

Menor taxa de fluência: o PFA é menos suscetível à deformação-de longo prazo sob pressão constante.

Melhor processabilidade por fusão: As bainhas de PFA podem ser moldadas por injeção ou extrusadas com controle mais rígido da espessura da parede.

A moldagem por compressão e a sinterização podem introduzir micro{0}}vazios ou variações de espessura que podem reduzir a classificação de pressão do PTFE. A pressões superiores a 10 bar, o material de escolha é o PFA. Entretanto, PTFE de parede muito espessa (usinado a partir de material sólido) também pode ser empregado.

3. A penalidade: sacrificar a eficiência térmica
Uma parede mais espessa aumenta a resistência térmica de condução através da bainha. O fluxo de calor (watts por metro quadrado) do elemento de aquecimento para o fluido do processo é dado pela Lei de Fourier. Para uma certa diferença de temperatura entre o fio de aquecimento e o fluido do processo, a taxa de transferência de calor diminui com o aumento da espessura da parede. Ou o elemento de aquecimento deve funcionar mais quente internamente para a mesma produção de calor.

Para uma bainha típica de PTFE de 0,8 mm, a queda de temperatura na parede é geralmente de 10-20 graus em densidades convencionais de watts (3-5 W/cm 2 ). Para uma parede com 1,5 mm de espessura a diminuição da temperatura aumenta cerca de 90% (a resistência é proporcional à espessura). Isso significa que o elemento de aquecimento interno pode estar 20-40 graus mais quente que a superfície da bainha. A temperatura interna mais elevada encurta a vida útil do fio de resistência e do isolamento. Portanto, a densidade de watts deve ser reduzida para aquecedores de parede espessa, geralmente em 20-40% de um aquecedor convencional.

A bainha tem paredes espessas-, um conduíte pesado, resistente e termicamente lento, para resistir à tremenda pressão, mas às custas de um fluxo de calor mais lento e relutante.

4. Retenção e fluência de pressão a longo prazo
PTFE e PFA são materiais visco{0}elásticos. Eles se deformarão lentamente sob uma tensão sustentada do arco. Com o tempo a espessura da parede pode diminuir um pouco e o diâmetro interno pode aumentar. Este relaxamento pode diminuir a força de fixação no elemento de aquecimento e pode potencialmente criar um canal de vazamento na vedação do terminal. Para diminuir o rastreamento:

Normalmente, é considerado um fator de segurança não inferior a 5× na resistência ao rompimento de curto-prazo do material.

O aquecedor deve ser construído de modo que a tensão operacional seja consideravelmente inferior à resistência à ruptura por fluência do material durante a vida útil projetada (por exemplo, . 10 anos).

Para pressões muito altas (por exemplo, > 15 bar), um aquecedor com revestimento-de metal com revestimento de PTFE ou um aquecedor de metal revestido com PTFE pode ser considerado, mas eles perdem todos os-benefícios de pureza do PTFE.

O fabricante deve oferecer dados de fluência ou uma classificação de pressão certificada de testes de longo-prazo.

5. Classe de pressão do flange e da junta
O flange de montagem do aquecedor e a vedação da junta também fazem parte do limite de pressão. Uma bainha-de parede espessa não terá utilidade se o flange vazar. Para usos com alta pressão:

O flange deverá ser de material de alta resistência (por exemplo,. 316aço inoxidável L, Hastelloy ou Inconel), com espessura e padrão de parafuso adequados para a pressão de projeto.

A junta deve ser classificada para a mesma pressão e temperatura." Os materiais de junta adequados para aquecedores de PTFE são PTFE encapsulado (por exemplo, envelope de PTFE com inserção de Viton ou Silicone) ou juntas enroladas em espiral com enchimento de PTFE.

A zona fria do aquecedor (a parte não aquecida acima do líquido) deve ser longa e com paredes espessas-suficientemente para tolerar mudanças de pressão.

Observação: A classificação de pressão do conjunto completo do aquecedor (bainha, flange, gaxeta e vedação de terminação) deve ser confirmada pelo fabricante. Deve ser fornecido um certificado de teste (por exemplo, teste de pressão hidrostática a 1,5 x pressão de projeto).

Fluxo de trabalho de seleção: trabalhando com o fabricante
Um aquecedor de PTFE para serviço de alta pressão não está em estoque. Envolve muito trabalho com o fabricante. É aconselhável:

Passo 1: Definir as condições de operação
Os seguintes parâmetros são definidos:

Pressão máxima de trabalho (bar ou psi)

Máx. temperatura operacional (graus)

Fluido de processo (para verificação de compatibilidade química com PTFE/PFA)

Potência de calor necessária (kW)

Geometria do tanque ou embarcação (limites de espaço, profundidade de imersão)

Fator de segurança exigido (geralmente 3-5x)

Etapa 2: Solicite um projeto inicial
O fabricante sugere com base em dados confidenciais de engenharia (ou análise de elementos finitos):

Material de bainha PTFE ou PFA

Espessura da parede (geralmente 1,2-2,5 mm)

Diâmetro externo e comprimento de aquecimento

Tamanho do fio de resistência do elemento de aquecimento interno

Densidade máxima permitida de watts (reduzida do padrão)

Projeto do parafuso e tamanho do flange

Etapa 3: testar o desempenho térmico
O fabricante oferece a queda de temperatura projetada através da bainha e a temperatura calculada do elemento interno. O projetista verifica se a temperatura interna está abaixo dos limites seguros para o isolamento do fio (geralmente < 250 graus para cabos isolados com PTFE-). Se a temperatura interior for muito alta, o design é alterado expandindo a área de superfície do aquecedor (diâmetro maior ou maior) para diminuir a densidade de watts.

Etapa 4: Definir Teste e Certificação
Os seguintes testes são recomendados para aplicações sensíveis à segurança:

Teste de pressão hidrostática: O aquecedor é submetido a 1,5 vezes a pressão projetada com água em temperatura ambiente por um determinado período de tempo (por exemplo, 15 minutos). Nenhum vazamento ou distorção é permitido.

Teste de rigidez dielétrica (hipot): Após o teste de pressão, a integridade elétrica do aquecedor é verificada (por exemplo,. 1500 VAC por 1 minuto).

Teste de vazamento de hélio (opcional para pureza muito alta): O aquecedor é colocado em um dispositivo de teste e a bainha é pressurizada com hélio. Quaisquer vazamentos são detectados por um espectrômetro de massa.

Em anexo está um certificado de conformidade com os resultados do teste.

Etapa 5: Instale com torque e suporte corretos
O flange de alta-pressão deve ser colocado com o torque de parafuso correto, conforme indicado pelo fabricante. A junta deve estar assentada corretamente. Apoie o aquecedor. Não aplique nenhuma carga de flexão adicional no flange ou na bainha. Uma conexão flexível deverá ser fornecida entre a caixa de terminais do aquecedor e o conduíte elétrico que leva à embarcação para permitir qualquer movimento.

Precisão Técnica Classificação de Pressão de Longo Prazo Papel da Fluência
In the case of high pressure applications, the limitation of PTFE is not its short-term strength but its creep behaviour. A PTFE tube under constant internal pressure will slowly increase in diameter (diametral creep). If the expansion is limited by the heating element or the mounting framework, the stress may relax, but if not limited the wall may thin and eventually burst. The permissible operating pressure for long-term service (>1 ano) geralmente é de 20 a 30% da pressão de ruptura-de curto prazo. Por exemplo, se uma bainha com 1,5 mm de espessura falhar a 60 bar num teste de curto prazo, a pressão permitida a longo prazo será de apenas 12-18 bar.

Aqueles com experiência com aquecedores de PTFE de alta pressão terão dados internos de experimentos de fluência de longo prazo. Ao selecionar um aquecedor, você deve solicitar a pressão operacional contínua mais alta na temperatura desejada com uma vida útil especificada (por exemplo, 5 anos, 10 anos). Um projeto cauteloso teria uma classificação de pressão mais baixa e uma parede mais espessa.

Conclusão: um componente de segurança de pressão-personalizado
Os requisitos de serviço específicos são fornecidos ao fabricante que cria um elemento de paredes espessas,-protegido contra pressão-e termicamente balanceado, e um aquecedor de PTFE de alta pressão-projetado personalizado é selecionado. A bainha convencional de 0,8 mm é substituída por uma parede de PTFE ou PFA, com 1,5 mm ou 2,0 mm de espessura, proporcionando a resistência necessária para sustentar pressões de 10 bar ou mais. Mas a parede mais espessa diminui a eficiência térmica e requer redução da densidade de watts e aceitação de uma queda maior de temperatura na bainha. Todos os flanges de montagem, gaxetas e vedações de terminação deverão ter a mesma classificação de pressão e o conjunto deverá ser testado hidrostático e aprovado. A fluência de longo prazo do fluoropolímero deve ser considerada e um grande fator de segurança usado.

A segurança é o primeiro objetivo de um limite de pressão, in-negociável, mesmo em relação à eficiência térmica. Um aquecedor de PTFE para serviço de alta pressão não é um dispositivo-pronto para uso-de prateleira. É um vaso de pressão construído com precisão que produz calor. Com a escolha certa e a estreita colaboração com um fabricante qualificado, pode ter a certeza de um aquecimento fiável e de um confinamento seguro.