כיצד מקדם ההתפשטות התרמית של PTFE משפיע על הרכבה ותומכת של תנור חימום?

כאשר מחמם טבילה PTFE מתחמם מטמפרטורת הסביבה לטמפרטורת הפעולה האורך שלו גדל באופן משמעותי. אם המחמם מוחזק היטב בשני הקצוות, התרחבות זו גורמת ללחץ פנימי גדול. יש לקחת בחשבון תנועה זו בהרכבה נכונה של תנור חימום, והיא תכונה חיונית שמתעלמים ממנה לעתים קרובות במערכות תעשייתיות.

מקדם התפשטות תרמית PTFE
מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) מודד כמה חומר יתרחב או יתכווץ עבור כל דרגת שינוי בטמפרטורה. ל-PTFE יש CTE גבוה יחסית-בערך 120 × 10⁻⁶ לכל מעלה צלזיוס (120 ppm לכל מעלה). לשם השוואה, לנירוסטה (304 ו-316) יש CTE של כ-17*10^-6/C. אז PTFE יתרחב בערך פי 7 יותר מפלדה עבור אותה עלייה בטמפרטורה.

התוצאה המעשית נפלאה. מחמם PTFE באורך 1 מטר המחומם מטמפרטורת חדר של 20 מעלות לטמפרטורת פעולה טיפוסית של 100 מעלות מתרחב בערך:

ΔL=L 0 × CTE × ΔT=1.0 m × 120×10 −6 / מעלה × 80 מעלות=0.0096 מ' ≈ 9.6 מ"מ

עבור רכיב המחובר בקשיחות, שינוי של כ-10 מ"מ לכל מטר אורך הוא משמעותי מאוד. עבור תנורים גדולים יותר, באורך של 3 או 4 מטרים, ההתרחבות הכוללת יכולה להגיע עד 30-40 מ"מ.

מקדם התפשטות תרמית של חומר (×10-6/מעלה) ב-20-100 מעלות התרחבות למטר ל-80 מעלות הגדלה של PTFE 120 – 130 ≈9.6 – 10.4 מ"מ
PFA 120 – 140 ≈9.6 – 11.2 מ"מ
נירוסטה (304/316) 16 – 18 ≈1.3 – 1.4 מ"מ
טיטניום (דרגה 2) 8 – 9 ≈0.6 – 0.7 מ"מ
PFA הוא פלואורפולימר נוסף בעל מקדם התפשטות גבוה באופן דומה. כמה מחממי מתכת מיוחדים משתמשים בטיטניום, שמתרחב אפילו פחות מפלדת אל חלד. ההבדל בין PTFE לכל חומר מעטפת מתכת או ליבת מתכת פנימית הוא מדהים.

בעיית ההרכבה הנגרמת על ידי התרחבות גבוהה של PTFE
באופן כללי תנור טבילה PTFE משלב חוט או ליבה התנגדות מתכת פנימית. ליבת המתכת מתרחבת בקצב של כ-שביעית מזה של מעטפת ה-PTFE שמסביב. כאשר המחמם מחומם ה-PTFE רוצה להתרחב משמעותית יותר מליבה המתכתית שבתוכו. התרחבות דיפרנציאלית זו גורמת למתיחות גזירה פנימית בממשק בין PTFE למתכת.

אם המחמם מוגבל גם חיצונית (על ידי מהדקים קשים, סוגרים או אוגנים בשני הקצוות), נדן ה-PTFE אינו יכול להתרחב בחופשיות בכיוון הצירי. המתח המכני שנוצר כך מוביל למספר מצבי כשל:

כיפוף או קידה - נדן PTFE רך יותר ממתכת ולכן נוטה להתכווץ כלפי חוץ באמצע, מה שיוצר צורה מעוקלת או גלית שעלולה לפגוע בקירות הטנק או בתנורי חימום אחרים.

פיצוח במקומות ריכוז מתח - מהדקים קשיחים או קצוות תמיכה חדים הם מגבירי מתח. ה-PTFE מתרחב ודוחף את הנקודות הקבועות הללו, מה שעלול לגרום להיווצרות סדקים ולהתפשט בכל המעטפת.

משוך-מהליבת המתכת הפנימית - התרחבות דיפרנציאלית של ה-PTFE ושל ליבת המתכת, יחד עם מגבלות חיצוניות, עלולות לגרום ל-PTFE להתרחק מסופי המתכת או לזחול מהליבה, ולחשוף את חוט ההתנגדות לנוזלי תהליך קורוזיביים.

טעות נפוצה במתקנים תעשייתיים היא להתייחס למחמם PTFE כמו למחמם מתכתי, כלומר להדק אותו במספר תומכים מוצקים לאורכו או להדק אותו גם בקצה העליון וגם בקצה התחתון. טקטיקות מסוג זה כמעט מובטחות להיכשל מוקדם.

הנחיות מעשיות להתקנת מחממי הרחבה תרמית PTFE
הנחת היסוד להרכבת מחממי התפשטות תרמית PTFE היא לאפשר למחמם להתרחב ולהתכווץ בחופשיות לאורך אך עדיין להישאר במקומו המיועד במיכל או בכלי. טכניקות מומלצות כוללות:

הר בקצה אחד בלבד.
יש להרכיב את המחמם בצורה נוקשה בנקודה אחת בלבד - לעתים קרובות בקצה המסוף (הקצה הקר שבו נוצרים החיבורים החשמליים). מצד שני, האורך המחומם צריך להיות חופשי לחלוטין להחלקה או תנועה. אין להרכיב מהדקים, סוגרים או מובילים נוספים לאורך צינור ה-PTFE.

דאג לתנועה צירית מעל-ה-סוגריים הצדדיים
אם נעשה שימוש בתושבת הרכבה מעל-ה-צד, התושבת לא צריכה להצמיד את מעטפת ה-PTFE בצורה נוקשה. במקום זאת, יש ליצור מכוון רופף- או סידור מחורץ אשר שומר על המחמם אנכי אך מאפשר ל-PTFE לעבור צירית דרך התושבת כאשר הטמפרטורה משתנה. ניתן להתחיל עם מרווח של כ-2-3 מ"מ בין הנדן לחור התושבת.

הימנע מתצורות L ו-U נוקשות מדי
לפעמים משתמשים בתנורי חימום בצורת -L (עם רגל אופקית ואנכית) עבור עיצובי מיכל מסוימים. אם שתי הרגליים, אופקיות ואנכיות, מהודקות היטב בקצותיהן, ההתרחבות של רגל אחת פועלת כנגד השנייה, והפינה נתונה לעומסי כיפוף משמעותיים. למעשה תנור PTFE בצורת L - צריך להיות מתוכנן עם רגל אחת חופשית לנוע או שהפינה צריכה להיות בעלת מעבר גמיש (למשל עיקול רדיוס גדול יותר) כדי לספוג התרחבות דיפרנציאלית.

שטח קצה חופשי להרחבה
תנור חימום בגודל 1-מטר שמתרחב ל-10 מ"מ צריך לפחות 10 מ"מ של שטח ריק בקצה החופשי שלו. עבור תנור חימום שתלוי אנכית, הדבר מרמז שתחתית המחמם לא צריכה לגעת בתחתית המיכל או בכל דבר בתוך המיכל. מרווח של 20-30 מ"מ מומלץ כדי לפצות על סובלנות ייצור ועל סטיות אפשריות של טמפרטורת יתר.

השתמש במובילים גמישים במקום בצינור קשיח המחובר, לנדן
המוליכים מקצה המסוף של אספקת החשמל חייבים להיות גמישים מספיק כדי לאפשר תנועה מתונה של מכלול המסוף כאשר המחמם מתרחב ומתכווץ. צינור מתכת קשיח, כאשר הוא מחובר ישירות לבית המסוף, יכול להעביר כוחות תנועה לנקודת החיבור, מה שעלול להזיק לטרמינלים.

מה קורה כשההרחבה מוגבלת?
ניסיון בשטח מצביע על כך שהתרחבות תרמית מוגבלת היא אחד הגורמים העיקריים לכשל בתנור PTFE בעקבות עומס חשמלי. סימנים נפוצים לכישלון כוללים:

התכווצות נדן - בדיקה חזותית עם צורת נחש או גלי.

סדקים אורכיים - סדקים מקבילים לציר המחמם, שמתחילים בדרך כלל ליד מהדקי הרכבה.

הפרדת קצה הקצה - מעטפת ה-PTFE מחליקה מהתרכובת המסוף וחושפת את חוט ההתנגדות או מאפשרת צינור לחדירת נוזלים.

שבירת חוט פנימי - מחזורי התרחבות והתכווצות, כאשר הם מרוסנים, מעייפים את חוט ההתנגדות הפנימי באתר הכניסה למעטפת ה-PTFE.

חומרת ההרכבה לא תדחס באופן רדיאלי את מעטפת ה-PTFE. PTFE זוחל תחת לחץ דחיסה מתמיד. מהדק צינור או מהדק צינור מהודקים סביב ה-PTFE בסופו של דבר יירגעו כאשר החומר הקור- זורם הרחק מהמהדק והלחץ הלא אחיד עלול לגרום לשבירה.

מסקנה: שיטות התקנה טובות חשובות לא פחות מאיכות המחמם
מקדם ההתפשטות התרמית של PTFE הוא בערך פי שבעה מזה של נירוסטה. מחמם PTFE באורך 1- מ' ימשך בערך 10 מ"מ כשהוא מחומם מטמפרטורת הסביבה ל-100 מעלות. אם התרחבות זו מוגבלת, הלחצים המכניים המתפתחים מביאים לכישלון, שבירה או כשל של מעטפת ה-PTFE.

חיבור תקין של תנור הרחבה תרמית PTFE דורש נקודה קבועה אחת, בדרך כלל בקצה המסוף, כאשר שאר המחמם חופשי לנוע בציר. יש לאפשר החלקה מעל-ה-סוגריים בצד; לסידורים בצורת L-אין שתי מגבלות; וצריך להיות מספיק מקום בקצה החופשי. טכניקות עיצוב אלו אינן שיפורים אופציונליים, אלא קריטיות לחיי שירות ארוכים. איכות המחמם היא חיונית, אבל גם הליכי התקנה טובים. כאשר ההשפעות המכניות של התפשטות תרמית מטופלות כראוי, מחממי טבילה PTFE מעניקים את מלוא העמידות הכימית והיתרונות של בידוד חשמלי ללא פשרות.