Qual é o efeito da temperatura operacional na resistência mecânica das bainhas do aquecedor de PTFE?

O PTFE é um material forte e durável à temperatura ambiente. No entanto, as suas qualidades mecânicas alteram-se dramaticamente à medida que a temperatura aumenta. Compreender essas mudanças é importante para operar adequadamente os aquecedores de imersão de PTFE dentro de seu envelope de projeto. A bainha de um aquecedor de PTFE faz mais do que apenas fornecer resistência química. Também tem que resistir à pressão do líquido circundante, resistir à deformação ao longo do tempo e manter a sua forma. Todas estas funções mecânicas deterioram-se com o aumento da temperatura. Assim, a influência da temperatura na resistência mecânica do PTFE é uma preocupação importante para qualquer pessoa que especifique, instale ou opere aquecedores de imersão de PTFE.

Como a temperatura afeta a estrutura molecular do PTFE
PTFE é um polímero semicristalino. Nas seções cristalinas, que são intercaladas com porções amorfas (desordenadas), as cadeias moleculares estão compactadas à temperatura ambiente. Esta estrutura confere ao PTFE sua resistência típica, baixo atrito e inércia química. À medida que a temperatura aumenta, as vibrações moleculares aumentam e as partes amorfas começam a amolecer antes que as porções cristalinas derretam.

A temperatura máxima de uso contínuo geralmente aceita de PTFE em serviço de aquecedor de imersão é de 110ºC. Este limite não é caprichoso. A esta temperatura, três transformações mecânicas separadas ocorrem rapidamente:

Menos resistência à tração - A quantidade de esforço necessária para esticar ou rasgar a bainha de PTFE diminui bastante.

Aumento da fluência - Sob uma carga constante (por exemplo, pressão do líquido ou força interna do fio de resistência), o PTFE irá flexionar lentamente com o tempo.

• Menor resistência à pressão - A bainha é mais propensa a colapsar ou inchar sob pressão diferencial.

Verifica-se que o PTFE não derrete até 327 graus, embora sua utilidade mecânica termine muito antes disso. Para aplicações de aquecedores de imersão, o limite superior viável para operação contínua é de 110 graus.

Mudança na resistência à tração com a temperatura
A resistência à tração é a maior tensão de tração (alongamento) que um material pode suportar antes de quebrar. Para o PTFE esta característica diminui monotonicamente com a temperatura. A tabela abaixo está relacionada a valores aproximados de procedimentos de teste convencionais (ASTM D638).

Temperatura (graus) Temperatura (graus F) Resistência à tração aproximada (MPa) Resistência à tração aproximada psi% do valor na temperatura ambiente.
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% 
Nota: Os valores são indicativos. A resistência à tração real depende do grau de PTFE, da cristalinidade e das condições de teste.

A resistência à tração do PTFE a 100 graus é cerca de metade daquela a 23 graus. A 110 graus cai para cerca de 40% do valor da temperatura ambiente. A redução considerável do estresse mecânico, seja devido à pressão do líquido, à expansão térmica ou ao manuseio, torna os danos em altas temperaturas muito mais prováveis.

Fluência e deformação de carga
Uma grande desvantagem do PTFE em altas temperaturas é a sua tendência à fluência. Fluência é a distorção de uma substância ao longo do tempo sob uma carga constante. Embora os metais tenham uma temperatura de fluência mais baixa, o PTFE irá fluência em qualquer temperatura acima da ambiente. A taxa de fluência cresce exponencialmente com a temperatura.

Para a bainha do aquecedor de PTFE, as cargas aplicáveis ​​são:

Pressão externa do líquido - A pressão hidrostática em tanques profundos pode chegar a 0,1 bar por metro de profundidade. Essa pressão é mínima em 2-3 metros, mas quando combinada com temperatura elevada pode fazer com que a bainha colapse lentamente ou ondula.

Tensões internas do fio de resistência - O elemento de aquecimento metálico está embutido no PTFE. A expansão térmica diferencial do metal e do PTFE causa tensões internas. Em altas temperaturas, o PTFE alivia essas tensões por fluência, o que pode modificar o formato da bainha.

Forças de fixação ou montagem - Qualquer restrição mecânica aplicada ao aquecedor (como suportes, flanges ou suportes) pode causar concentrações de tensão local. A fluência pode fazer com que o PTFE flua para longe dos pontos de alta pressão e cause afrouxamento ou falha na vedação.

Na prática, a fluência raramente é catastrófica no curto prazo. Um aquecedor a 105 graus pode não apresentar distorção óbvia por meses ou até anos. Mas a fluência ao longo do tempo pode fazer com que a bainha se torne mais fina em locais específicos, diminuindo a rigidez dielétrica e a proteção mecânica. Mais criticamente, a fluência no contato entre a bainha de PTFE e a vedação do terminal pode permitir a passagem de umidade ou vapores corrosivos para atingir o aquecedor.

Riscos de colapso ou balão e resistência à pressão
As bainhas do aquecedor de PTFE não são vasos de pressão. Eles são projetados para operar na pressão atmosférica ou próximo a ela, interna e externamente. A câmara interna onde está localizado o fio de resistência não é pressurizada, é preenchida com PTFE ou ar à pressão ambiente. Os dois mecanismos de falha relacionados à pressão são os seguintes:

Colapso de pressão externa - Se a pressão externa do líquido for muito maior que a pressão interna, a bainha pode colapsar para dentro. Isto é mais provável a temperaturas mais elevadas porque o módulo de elasticidade (rigidez) do PTFE é reduzido. Um colapso é geralmente entendido como uma parte achatada ou com covinhas da bainha.

Balonamento de pressão interna - O PTFE quente e amolecido pode inflar para fora se a cavidade interna ficar pressurizada devido à liberação de gases ou à expansão do gás aprisionado. Menos comum, mas possível quando a umidade dentro do aquecedor se transforma em vapor.

Ambos os tipos de falha são controlados diretamente pelo efeito da temperatura da resistência mecânica do PTFE. O PTFE pode suportar uma pressão diferencial de vários bar a 23 graus sem deformação permanente. A 110 graus, a mesma pressão diferencial pode produzir colapso ou balão instantâneo. Portanto, aquecedores de PTFE não devem ser usados ​​para aplicações de alta pressão ou onde possam ocorrer mudanças rápidas de pressão.

Efeitos de exceder o limite contínuo de 110 graus
Excursões curtas até um pouco acima de 110 graus podem ser toleradas sem falha rápida. Mas se você exceder esse limite repetidamente ou por muito tempo, poderá causar danos permanentes. As consequências observadas incluem:

Afinamento da bainha e pontos críticos localizados: A fluência permite que o PTFE flua para longe das regiões mais quentes, afinando a bainha. Regiões mais finas apresentam maior condutividade térmica. Este ciclo de feedback positivo resulta num aquecimento mais rápido dos pontos quentes locais.

Perda de rigidez dielétrica - As partes mais finas da bainha diminuem a margem de isolamento elétrico e aumentam o perigo de quebra.

Deformação permanente - Depois que o PTFE se deforma ou se deforma, o resfriamento não o trará de volta à sua forma original. Não há como consertar uma bainha colapsada ou inflada.

Falha na vedação - A vedação na zona fria depende de um bom ajuste entre a bainha de PTFE e o conjunto do terminal. A fluência pode afrouxar esse ajuste e permitir a entrada de líquido ou vapor.

Deve-se notar que o limite de 110 graus é para a temperatura do revestimento de PTFE, não necessariamente para a temperatura do líquido a granel. Em um aquecedor construído corretamente, a temperatura do revestimento é apenas ligeiramente superior à temperatura do líquido devido à transferência efetiva de calor do fio de resistência para o líquido. Mas com uma alta densidade de watts (potência por unidade de área de superfície) ou com um nível de líquido abaixo da parte aquecida, a temperatura da bainha pode exceder a temperatura do líquido por uma grande margem, mesmo quando o próprio líquido está abaixo de 110 graus.

Classificação de-densidade de watts em serviço de alta temperatura-
A resistência mecânica do PTFE depende-da temperatura e isso influencia a capacidade do material de resistir ao estresse e, por esse motivo, os aquecedores de imersão destinados a funcionar perto de 110 graus devem ter densidades de watts mais baixas do que os aquecedores usados ​​em temperaturas mais baixas. A densidade de watts é a potência produzida por área da superfície de aquecimento e geralmente é representada em watts por polegada quadrada (W/in2) ou watts por centímetro quadrado (W/cm2).

As diretrizes gerais para aquecedores de imersão em PTFE são:

Densidades de watts aceitáveis ​​de até 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) em temperaturas de até 60 graus (140 graus F).

60–90 graus (140-194 graus F) – Baixas densidades de watts de 15–20 W/in 2 (2,3–3,1 W/cm 2 ).

90-110 graus (194–230 graus F) – É necessária uma redução adicional nas densidades de watts para 10–15 W/in² (1,6–2,3 W/cm²).

Acima de 110 graus (230 graus F) - Aquecedores de imersão de PTFE geralmente não são recomendados para uso prolongado.

Na prática, estes valores têm de ser ajustados para a aplicação específica. Densidades de watts mais altas podem ser toleradas em banhos agitados com altos coeficientes de transferência de calor. Densidades de watts mais baixas são necessárias para líquidos estagnados ou viscosos. O objetivo é garantir que em nenhum lugar a temperatura da bainha de PTFE seja superior a 110 graus, mesmo nos locais mais quentes próximos ao fio de resistência interna.

Controle de temperatura como proteção
Para observar o limite de 110 graus, são necessárias medições precisas de temperatura e controle confiável. Os aquecedores de imersão devem ter um sensor de temperatura (termopar ou RTD) o mais próximo possível do elemento de aquecimento ou dentro da bainha de PTFE. Adicione um corte de segurança de limite-alto como reserva para uma restrição de temperatura máxima permitida no controlador.

Foi descoberto que a maioria das falhas prematuras do aquecedor de PTFE não são causadas pela temperatura do ponto de ajuste ser muito alta, mas por superaquecimento localizado. Fatores que resultam em superaquecimento local:

Baixo nível de líquido expondo parte da bainha aquecida ao ar.

Incrustação na superfície da bainha, levando à redução da transferência de calor.

Fluxo de ar insuficiente ao redor do aquecedor, resultando em áreas estagnadas.

Alta densidade de watts, resultando em um alto gradiente de temperatura entre o fio interno e a superfície da bainha.

Qualquer uma dessas condições pode elevar a temperatura da bainha a níveis prejudiciais, mesmo quando a temperatura do líquido a granel estiver abaixo de 110 graus.

Conclusões
A temperatura operacional influencia diretamente a integridade mecânica da bainha de PTFE. A influência da temperatura na resistência mecânica do PTFE resulta em perda de resistência à tração, aumento da suscetibilidade à fluência e redução da resistência à pressão do material em temperaturas acima da ambiente. No limite de serviço contínuo de 110 graus, o PTFE retém apenas cerca de 40% de sua resistência à tração à temperatura ambiente, e as taxas de fluência tornam-se substanciais o suficiente para induzir deformação a longo prazo.

O limite de 110°C não é um valor arbitrário, mas um limite mecânico. Exceder esse limite pode causar colapso da bainha, inchaço, adelgaçamento, falha na vedação e falha elétrica final. Assim, o controle da temperatura e a densidade correta de watts são cruciais para manter a vida útil do aquecedor. Quando operado dentro da temperatura ambiente para a qual foi projetado e com condições aceitáveis ​​de transferência de calor, o revestimento de PTFE manterá sua resistência mecânica e protegerá o elemento de aquecimento interno durante anos de operação confiável.