कमरे के तापमान पर, PTFE एक सख्त, टिकाऊ प्लास्टिक है। लेकिन जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, इसके यांत्रिक गुणों में काफी बदलाव आता है। पीटीएफई विसर्जन हीटरों को सुरक्षित रूप से और उनके डिजाइन लिफाफे के भीतर संचालित करने के लिए इन परिवर्तनों को समझना आवश्यक है। पीटीएफई हीटर का आवरण केवल रासायनिक प्रतिरोध प्रदान करने के अलावा और भी बहुत कुछ करता है। इसे आसपास के तरल पदार्थ के दबाव का भी सामना करना पड़ता है, समय के साथ विरूपण का विरोध करना पड़ता है और अपना आकार बनाए रखना पड़ता है। तापमान बढ़ने पर ये सभी यांत्रिक कार्य ख़राब हो जाते हैं।पीटीएफई यांत्रिक शक्ति तापमान प्रभावइसलिए पीटीएफई विसर्जन हीटरों को निर्दिष्ट करने, स्थापित करने या संचालित करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए यह एक महत्वपूर्ण विचार है।
तापमान पीटीएफई की आणविक संरचना को कैसे बदलता है
PTFE एक अर्ध{0}}क्रिस्टलीय बहुलक है। कमरे के तापमान पर, इसकी आणविक श्रृंखलाएं अनाकार (अव्यवस्थित) क्षेत्रों से घिरे क्रिस्टलीय क्षेत्रों में कसकर पैक की जाती हैं। यह संरचना पीटीएफई को इसकी विशिष्ट ताकत, कम घर्षण और रासायनिक जड़ता प्रदान करती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, आणविक कंपन बढ़ता है, और क्रिस्टलीय क्षेत्रों के पिघलने से पहले अनाकार क्षेत्र नरम होने लगते हैं।
विसर्जन हीटर सेवा में पीटीएफई के लिए निरंतर उपयोग सीमा को व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है110 डिग्री. यह सीमा मनमानी नहीं है. इस तापमान के ऊपर, तीन अलग-अलग यांत्रिक परिवर्तन तेजी से बढ़ते हैं:
तन्य शक्ति में कमी- पीटीएफई शीथ को खींचने या फाड़ने के लिए आवश्यक बल काफी कम हो जाता है।
बढ़ा हुआ रेंगना- निरंतर लोड (जैसे तरल दबाव या प्रतिरोध तार से आंतरिक तनाव) के तहत, पीटीएफई समय के साथ धीरे-धीरे विकृत हो जाता है।
कम दबाव प्रतिरोध- अलग-अलग दबाव में आवरण ढहने या फूलने के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाता है।
यह देखा गया है कि जबकि पीटीएफई 327 डिग्री तक पिघलता नहीं है, इसकी यांत्रिक उपयोगिता उस बिंदु से काफी नीचे समाप्त हो जाती है। विसर्जन हीटर अनुप्रयोगों के लिए, 110 डिग्री निरंतर संचालन के लिए व्यावहारिक ऊपरी सीमा का प्रतिनिधित्व करता है।
बढ़ते तापमान के साथ तन्य शक्ति में कमी
तन्यता ताकत वह अधिकतम तनाव है जिसे कोई सामग्री टूटने से पहले खींचे जाने पर झेल सकती है। पीटीएफई के लिए, तापमान बढ़ने पर यह गुण लगातार घटता जाता है। नीचे दी गई तालिका मानक परीक्षण विधियों (एएसटीएम डी638) के आधार पर अनुमानित मान दिखाती है।
| तापमान (डिग्री) | तापमान (डिग्री एफ) | अनुमानित तन्यता ताकत (एमपीए) | अनुमानित तन्यता ताकत (पीएसआई) | कमरे का प्रतिशत-तापमान मान |
|---|---|---|---|---|
| 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% |
नोट: मान प्रतिनिधि हैं. वास्तविक तन्यता ताकत पीटीएफई ग्रेड, क्रिस्टलीयता और परीक्षण स्थितियों पर निर्भर करती है।
100 डिग्री पर, पीटीएफई की तन्य शक्ति 23 डिग्री पर इसके मान से लगभग आधी है। 110 डिग्री पर, यह कमरे के तापमान मान के लगभग 40% तक गिर जाता है। इस नाटकीय कमी का मतलब है कि कोई भी यांत्रिक तनाव, चाहे वह तरल दबाव, थर्मल विस्तार, या हैंडलिंग से हो, ऊंचे तापमान पर नुकसान पहुंचाने की अधिक संभावना है।
लोड के तहत रेंगना और विरूपण
ऊंचे तापमान पर पीटीएफई की एक प्रमुख सीमा रेंगने की इसकी संवेदनशीलता है। विसर्पण एक स्थिर भार के तहत किसी सामग्री का समय-निर्भर विरूपण है। धातुओं के विपरीत, जो एक निश्चित सीमा से नीचे न्यूनतम रेंगना प्रदर्शित करते हैं, पीटीएफई परिवेश के ऊपर किसी भी तापमान पर रेंगता है। तापमान के साथ रेंगने की दर तेजी से बढ़ती है।
पीटीएफई हीटर शीथ के लिए, प्रासंगिक भार में शामिल हैं:
बाहरी तरल दबाव- गहरे टैंकों में, हाइड्रोस्टेटिक दबाव 0.1 बार प्रति मीटर गहराई तक पहुंच सकता है। 2-3 मीटर पर, यह दबाव मामूली होता है, लेकिन ऊंचे तापमान के साथ मिलकर, यह म्यान को धीरे-धीरे ढहने या डिंपल का कारण बन सकता है।
प्रतिरोध तार से आंतरिक तनाव- धातु हीटिंग तत्व पीटीएफई में एम्बेडेड है। धातु और पीटीएफई के बीच थर्मल विस्तार में अंतर आंतरिक तनाव पैदा करता है। उच्च तापमान पर, पीटीएफई रेंगने के माध्यम से इन तनावों से राहत देता है, जो म्यान की ज्यामिति को बदल सकता है।
दबाना या लगाना बल- हीटर पर लगाया गया कोई भी यांत्रिक प्रतिबंध (उदाहरण के लिए, ब्रैकेट, फ्लैंज, या सपोर्ट) स्थानीय तनाव सांद्रता बनाता है। रेंगने से पीटीएफई उच्च दबाव बिंदुओं से दूर बह सकता है, जिससे ढीलापन या सील विफलता हो सकती है।
व्यवहार में, अल्पावधि में रेंगना शायद ही कभी विनाशकारी होता है। 105 डिग्री पर संचालित हीटर महीनों या वर्षों तक कोई दृश्यमान विकृति नहीं दिखा सकता है। हालाँकि, समय के साथ, रेंगने से कुछ क्षेत्रों में आवरण पतला हो सकता है, जिससे ढांकता हुआ ताकत और यांत्रिक सुरक्षा कम हो जाती है। अधिक गंभीर रूप से, पीटीएफई शीथ और टर्मिनल सील के बीच इंटरफेस में रेंगना हीटर में प्रवेश करने के लिए नमी या संक्षारक वाष्प के लिए एक रास्ता खोल सकता है।
दबाव प्रतिरोध और पतन या गुब्बारा फूटने का जोखिम
पीटीएफई हीटर शीथ दबाव वाहिकाएं नहीं हैं। इन्हें अंदर और बाहर दोनों तरफ वायुमंडलीय दबाव पर या उसके निकट संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। प्रतिरोध तार वाली आंतरिक गुहा पर दबाव नहीं पड़ता है; यह परिवेशीय दबाव पर PTFE या वायु से भरा होता है। हालाँकि, दबाव से संबंधित दो विफलता मोड मौजूद हैं:
बाहरी दबाव पतन- यदि बाहरी तरल दबाव पर्याप्त अंतर से आंतरिक दबाव से अधिक हो जाता है, तो आवरण अंदर की ओर ढह सकता है। ऊंचे तापमान पर इसकी संभावना अधिक होती है क्योंकि पीटीएफई का लोचदार मापांक (कठोरता) कम हो जाता है। पतन को आम तौर पर म्यान के चपटे या गड्ढेदार भाग के रूप में देखा जाता है।
आंतरिक दबाव गुब्बारा- यदि फंसी हुई गैस के विस्तार या बाहर निकलने के कारण आंतरिक गुहा पर दबाव पड़ता है, तो गर्म, नरम पीटीएफई बाहर की ओर बढ़ सकता है। यह कम आम है लेकिन यह तब हो सकता है जब हीटर के अंदर की नमी भाप में बदल जाए।
पीटीएफई यांत्रिक शक्ति तापमान प्रभावदोनों विफलता मोड को सीधे नियंत्रित करता है। 23 डिग्री पर, पीटीएफई स्थायी विरूपण के बिना कई बार के अंतर दबाव का सामना कर सकता है। 110 डिग्री पर, समान अंतर दबाव तत्काल पतन या गुब्बारे का कारण बन सकता है। इस कारण से, पीटीएफई हीटरों को कभी भी उच्च दबाव वाले वातावरण में या तेजी से दबाव परिवर्तन के अधीन संचालित नहीं किया जाना चाहिए।
110 डिग्री सतत सीमा से अधिक के परिणाम
110 डिग्री से थोड़ा ऊपर की छोटी-सी अवधि की यात्रा को तत्काल विफलता के बिना सहन किया जा सकता है। हालाँकि, इस सीमा से ऊपर बार-बार या लंबे समय तक ऑपरेशन करने से स्थायी क्षति का खतरा होता है। देखे गए परिणामों में शामिल हैं:
आवरण का पतला होना और स्थानीयकृत हॉटस्पॉट- रेंगना पीटीएफई को सबसे गर्म क्षेत्रों से दूर बहने की अनुमति देता है, जिससे म्यान की मोटाई कम हो जाती है। पतले क्षेत्रों में उच्च तापीय चालकता होती है, जिससे एक सकारात्मक फीडबैक लूप बनता है जो स्थानीय ओवरहीटिंग को तेज करता है।
ढांकता हुआ ताकत का नुकसान- पतले म्यान खंड विद्युत इन्सुलेशन मार्जिन को कम करते हैं, जिससे टूटने का खतरा बढ़ जाता है।
स्थाई विरूपण- एक बार जब पीटीएफई ख़राब या विकृत हो जाता है, तो ठंडा करने से मूल आकार बहाल नहीं होता है। ढहे हुए या गुब्बारे वाले आवरण की मरम्मत नहीं की जा सकती।
सील विफलता- कोल्ड जोन सील पीटीएफई शीथ और टर्मिनल असेंबली के बीच एक अच्छी फिट पर निर्भर करती है। रेंगना इस फिट से समझौता कर सकता है, जिससे तरल या वाष्प प्रवेश हो सकता है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि 110 डिग्री की सीमा पीटीएफई शीथ तापमान पर लागू होती है, जरूरी नहीं कि थोक तरल तापमान पर। अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए हीटर में, शीथ तापमान तरल तापमान से थोड़ा ही अधिक होता है क्योंकि गर्मी प्रतिरोध तार से तरल तक कुशलतापूर्वक स्थानांतरित होती है। हालाँकि, यदि वाट घनत्व (प्रति इकाई सतह क्षेत्र में शक्ति) बहुत अधिक है, या यदि तरल स्तर गर्म खंड से नीचे चला जाता है, तो म्यान का तापमान तरल तापमान से काफी ऊपर बढ़ सकता है, भले ही तरल 110 डिग्री से नीचे हो।
उच्च तापमान सेवा के लिए वाट घनत्व व्युत्पन्न
क्योंकिपीटीएफई यांत्रिक शक्ति तापमान प्रभावतनाव झेलने की सामग्री की क्षमता को कम कर देता है, 110 डिग्री के करीब सेवा के लिए इच्छित विसर्जन हीटर को कम तापमान पर उपयोग किए जाने वाले हीटर की तुलना में कम वाट घनत्व पर काम करना चाहिए। वाट घनत्व हीटिंग सतह के प्रति इकाई क्षेत्र में बिजली उत्पादन है, जिसे आम तौर पर वाट प्रति वर्ग इंच (डब्ल्यू/इंच²) या वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर (डब्ल्यू/सेमी²) में व्यक्त किया जाता है।
पीटीएफई इमर्शन हीटर के लिए सामान्य दिशानिर्देश हैं:
60 डिग्री तक (140 डिग्री फारेनहाइट)- 25-30 W/in² (3.9-4.7 W/cm²) तक की वाट घनत्व स्वीकार्य है।
60-90 डिग्री (140-194 डिग्री फ़ारेनहाइट)- वाट घनत्व को 15-20 W/in² (2.3–3.1 W/cm²) तक कम किया जाना चाहिए।
90-110 डिग्री (194-230 डिग्री एफ)- वाट घनत्व को और कम करके 10-15 W/in² (1.6-2.3 W/cm²) किया जाना चाहिए।
110 डिग्री से ऊपर (230 डिग्री फारेनहाइट)- पीटीएफई विसर्जन हीटरों को आम तौर पर निरंतर संचालन के लिए अनुशंसित नहीं किया जाता है।
व्यवहार में, इन मूल्यों को विशिष्ट अनुप्रयोग के आधार पर समायोजित किया जाना चाहिए। उच्च ताप स्थानांतरण गुणांक वाले उत्तेजित स्नान उच्च वाट घनत्व को सहन कर सकते हैं। स्थिर या चिपचिपे तरल पदार्थों के लिए कम वाट घनत्व की आवश्यकता होती है। लक्ष्य यह सुनिश्चित करना है कि पीटीएफई शीथ का तापमान किसी भी बिंदु पर 110 डिग्री से अधिक न हो, जिसमें आंतरिक प्रतिरोध तार के पास के सबसे गर्म स्थान भी शामिल हैं।
एक सुरक्षात्मक उपाय के रूप में तापमान नियंत्रण
110 डिग्री की सीमा का सम्मान करने के लिए सटीक तापमान माप और विश्वसनीय नियंत्रण की आवश्यकता होती है। विसर्जन हीटरों को एक तापमान सेंसर (थर्मोकपल या आरटीडी) से सुसज्जित किया जाना चाहिए जो हीटिंग तत्व के जितना संभव हो उतना करीब या पीटीएफई शीथ के भीतर रखा जाना चाहिए। नियंत्रक को अधिकतम स्वीकार्य तापमान सीमा के साथ सेट किया जाना चाहिए, और बैकअप के रूप में एक उच्च सीमा सुरक्षा कटआउट प्रदान किया जाना चाहिए।
यह देखा गया है कि कई समय से पहले पीटीएफई हीटर विफलताएं इसलिए नहीं होती हैं क्योंकि सेटपॉइंट तापमान बहुत अधिक था, बल्कि स्थानीय ओवरहीटिंग के कारण होता है। स्थानीयकृत अति ताप का कारण बनने वाले कारकों में शामिल हैं:
निम्न तरल स्तर गर्म आवरण के एक हिस्से को हवा के संपर्क में लाता है।
म्यान की सतह पर स्केल या फाउलिंग से गर्मी हस्तांतरण कम हो जाता है।
खराब परिसंचरण के कारण हीटर के चारों ओर स्थिर क्षेत्र बन गए हैं।
उच्च वाट घनत्व आंतरिक तार और शीथ सतह के बीच एक बड़ा तापमान प्रवणता बनाता है।
इनमें से प्रत्येक कारक म्यान के तापमान को हानिकारक स्तर तक बढ़ा सकता है, तब भी जब थोक तरल तापमान 110 डिग्री से नीचे रहता है।
निष्कर्ष
ऑपरेटिंग तापमान सीधे पीटीएफई शीथ की यांत्रिक अखंडता को प्रभावित करता है।पीटीएफई यांत्रिक शक्ति तापमान प्रभावइससे सामग्री की तन्य शक्ति कम हो जाती है, वह रेंगने के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाती है, और तापमान परिवेश से ऊपर बढ़ने पर उसका दबाव प्रतिरोध कम हो जाता है। 110 डिग्री की निरंतर सेवा सीमा पर, पीटीएफई अपने कमरे के तापमान की तन्य शक्ति का लगभग 40% ही बरकरार रखता है, और रेंगने की दर लंबी अवधि के विरूपण का कारण बनने के लिए पर्याप्त महत्वपूर्ण हो जाती है।
110 डिग्री की सीमा का सम्मान एक अमूर्त विशिष्टता के रूप में नहीं बल्कि एक यांत्रिक आवश्यकता के रूप में किया जाना चाहिए। इस सीमा से अधिक होने पर शीथ ढहने, गुब्बारा फूलने, पतला होने, सील की विफलता और अंततः विद्युत खराबी का खतरा होता है। इसलिए हीटर के जीवन को संरक्षित करने के लिए तापमान नियंत्रण और उचित वाट घनत्व आवश्यक है। डिज़ाइन किए गए तापमान लिफाफे के भीतर काम करके और पर्याप्त गर्मी हस्तांतरण की स्थिति सुनिश्चित करके, पीटीएफई शीथ अपनी यांत्रिक ताकत बनाए रख सकता है और विश्वसनीय सेवा के वर्षों के लिए आंतरिक हीटिंग तत्व की रक्षा करना जारी रख सकता है।
