Quel est l’effet de la température de fonctionnement sur la résistance mécanique des gaines chauffantes en PTFE ?

Le PTFE est un matériau solide et durable à température ambiante. Cependant, ses qualités mécaniques s’altèrent considérablement à mesure que la température augmente. Il est important de comprendre ces changements pour faire fonctionner correctement les thermoplongeurs en PTFE dans leur enveloppe de conception. La gaine d'un radiateur en PTFE fait plus que simplement offrir une résistance chimique. Il doit également résister à la pression du liquide environnant, résister à la déformation dans le temps et conserver sa forme. Toutes ces fonctions mécaniques se détériorent avec l'augmentation de la température. Ainsi, l’influence de la température sur la résistance mécanique du PTFE est une préoccupation importante pour quiconque spécifie, installe ou exploite des thermoplongeurs en PTFE.

Comment la température affecte la structure moléculaire du PTFE
Le PTFE est un polymère semi-cristallin. Dans les sections cristallines, entrecoupées de portions amorphes (désordonnées), les chaînes moléculaires sont étroitement emballées à température ambiante. Cette structure confère au PTFE sa résistance typique, son faible frottement et son inertie chimique. À mesure que la température augmente, les vibrations moléculaires augmentent et les parties amorphes commencent à se ramollir avant que les parties cristallines ne fondent.

La température d'utilisation continue maximale généralement acceptée du PTFE en service de thermoplongeur est de 110 °C. Cette limite n'est pas capricieuse. A cette température, trois transformations mécaniques distinctes se produisent rapidement :

Moins de résistance à la traction - La quantité d'effort nécessaire pour étirer ou déchirer la gaine PTFE est considérablement réduite.

Fluage accru - Sous une charge constante (par exemple pression du liquide ou force interne du fil de résistance), le PTFE fléchira lentement avec le temps.

• Résistance à la pression inférieure - La gaine est plus susceptible de s'effondrer ou de gonfler sous l'effet d'une pression différentielle.

On constate que le PTFE ne fond pas avant 327 degrés, bien que son utilité mécanique soit terminée bien avant cela. Pour les applications de thermoplongeurs, la limite supérieure réalisable pour un fonctionnement continu est de 110 degrés.

Changement de résistance à la traction avec la température
La résistance à la traction est la contrainte de traction (étirement) la plus élevée qu'un matériau peut subir avant de se briser. Pour le PTFE, cette caractéristique diminue de façon monotone avec la température. Le tableau ci-dessous concerne les valeurs approximatives des procédures de test conventionnelles (ASTM D638).

Température (degrés) Température (degrés F) Résistance à la traction approximative (MPa) Résistance à la traction approximative psi% de la valeur à température ambiante.
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% 
Remarque : les valeurs sont indicatives. La résistance à la traction réelle dépend de la qualité du PTFE, de la cristallinité et des conditions de test.

La résistance à la traction du PTFE à 100 degrés est environ la moitié de celle à 23 degrés. À 110 degrés, elle tombe à environ 40 % de la valeur de la température ambiante. La réduction considérable des contraintes mécaniques, qu'elles soient dues à la pression du liquide, à la dilatation thermique ou à la manipulation, rend les dommages à haute température beaucoup plus probables.

Fluage et déformation sous charge
Un inconvénient majeur du PTFE à haute température est sa tendance au fluage. Le fluage est la déformation d'une substance au fil du temps sous une charge constante. Alors que les métaux ont une température de fluage plus basse, le PTFE fluage à n'importe quelle température supérieure à la température ambiante. Le taux de fluage augmente de façon exponentielle avec la température.

Pour la gaine chauffante en PTFE, les charges applicables sont :

Pression du liquide externe - La pression hydrostatique dans les réservoirs profonds peut atteindre 0,1 bar par mètre de profondeur. Cette pression est minime à 2-3 mètres, mais lorsqu'elle est associée à une température élevée, elle peut provoquer un effondrement ou une fossette lente de la gaine.

Contraintes internes du fil de résistance - L'élément chauffant métallique est intégré dans le PTFE. La dilatation thermique différentielle du métal et du PTFE provoque des tensions internes. A haute température, le PTFE soulage ces contraintes par fluage qui peut modifier la forme de la gaine.

Forces de serrage ou de montage - Toute contrainte mécanique appliquée au radiateur (telle que des supports, des brides ou des supports) peut provoquer des concentrations de contraintes locales. Le fluage peut provoquer un écoulement du PTFE des points de haute pression et provoquer un desserrage ou une défaillance du joint.

Dans la pratique, le fluage est rarement catastrophique à court terme. Un radiateur à 105 degrés peut ne présenter aucune distorsion évidente pendant des mois, voire des années. Mais le fluage au fil du temps peut conduire à un amincissement de la gaine à des endroits spécifiques, diminuant ainsi la rigidité diélectrique et la protection mécanique. Plus important encore, le fluage au niveau du contact entre la gaine PTFE et le joint terminal peut permettre à l'humidité ou aux vapeurs corrosives d'atteindre le réchauffeur.

Risques d’effondrement ou de gonflement et résistance à la pression
Les gaines chauffantes en PTFE ne sont pas des récipients sous pression. Ils sont conçus pour fonctionner à la pression atmosphérique ou proche de celle-ci, en interne et en externe. La chambre intérieure dans laquelle se trouve le fil de résistance n'est pas sous pression, elle est remplie de PTFE ou d'air à pression ambiante. Les deux mécanismes de défaillance liés à la pression sont les suivants :

Effondrement sous pression externe - Si la pression externe du liquide est beaucoup plus élevée que la pression interne, la gaine peut s'effondrer vers l'intérieur. Ceci est plus probable à des températures plus élevées car le module élastique (rigidité) du PTFE est réduit. Par effondrement, on entend généralement une partie aplatie ou alvéolée de la gaine.

Gonflement de pression interne - Le PTFE chaud et ramolli peut gonfler vers l'extérieur si la cavité interne est mise sous pression en raison d'un dégazage ou d'une expansion de gaz emprisonné. Moins courant mais possible lorsque l'humidité à l'intérieur du radiateur se transforme en vapeur.

Les deux types de défaillance sont directement contrôlés par l’effet de température de la résistance mécanique du PTFE. Le PTFE peut supporter une pression différentielle de plusieurs bars à 23 degrés sans déformation permanente. À 110 degrés, la même pression différentielle pourrait produire un effondrement ou un gonflement instantané. Par conséquent, les réchauffeurs en PTFE ne doivent pas être utilisés pour des applications à haute pression ou lorsque des changements rapides de pression peuvent se produire.

Effets du dépassement de la limite continue de 110 degrés
De courtes excursions jusqu'à un peu au-dessus de 110 degrés peuvent être tolérées sans échec rapide. Mais si vous dépassez cette limite de manière répétée ou pendant une longue période, vous risquez de causer des dommages durables. Les conséquences observées comprennent :

Amincissement de la gaine et points chauds localisés : le fluage permet au PTFE de s'éloigner des régions les plus chaudes, amincissant ainsi la gaine. Les régions plus minces ont une conductivité thermique plus élevée. Cette boucle de rétroaction positive entraîne un réchauffement plus rapide des points chauds locaux.

Perte de rigidité diélectrique - Les parties amincies de la gaine diminuent la marge d'isolation électrique et augmentent le risque de panne.

Déformation permanente - Une fois que le PTFE s'est glissé ou s'est déformé, le refroidissement ne le ramènera pas à sa forme originale. Il n’existe aucun moyen de réparer une gaine affaissée ou gonflée.

Défaillance du joint - Le joint dans la zone froide repose sur un bon ajustement entre la gaine PTFE et l'ensemble terminal. Le fluage peut desserrer cet ajustement et permettre au liquide ou à la vapeur d'entrer.

Il convient de noter que la limite de 110 degrés concerne la température de la gaine PTFE, pas nécessairement la température globale du liquide. Dans un appareil de chauffage correctement construit, la température de la gaine est légèrement supérieure à la température du liquide en raison du transfert efficace de chaleur du fil de résistance au liquide. Mais avec une densité de watts élevée (puissance par unité de surface) ou avec un niveau de liquide inférieur à la partie chauffée, la température de la gaine peut dépasser largement la température du liquide, même lorsque le liquide lui-même est inférieur à 110 degrés.

Densité en watts de service à-haute température De-estimation
La résistance mécanique du PTFE dépend de la température-, ce qui influence la capacité du matériau à résister aux contraintes. Pour cette raison, les thermoplongeurs destinés à fonctionner à près de 110 degrés doivent avoir des densités en watts inférieures à celles des radiateurs utilisés à des températures plus basses. La densité de watts est la puissance de sortie par surface de surface chauffante et est généralement représentée en watts par pouce carré (W/in 2 ) ou en watts par centimètre carré (W/cm 2 ).

Les directives générales pour les thermoplongeurs en PTFE sont :

Densités en watts acceptables jusqu'à 25-30 W/in2 (3,9-4,7 W/cm2) à des températures allant jusqu'à 60 degrés (140 degrés F).

60 à 90 degrés (140 à 194 degrés F) – Faibles densités de watts de 15 à 20 W/in 2 (2,3 à 3,1 W/cm 2 ).

90-110 degrés (194-230 degrés F) – Une réduction supplémentaire des densités de watts à 10-15 W/in² (1,6-2,3 W/cm²) est nécessaire.

Au-dessus de 110 degrés (230 degrés F) -, les thermoplongeurs en PTFE ne sont souvent pas conseillés pour une utilisation prolongée.

En pratique, ces valeurs doivent être adaptées à l'application spécifique. Des densités de watts plus élevées peuvent être tolérées dans des bains agités avec des coefficients de transfert thermique élevés. Des densités de watts plus faibles sont nécessaires pour les liquides stagnants ou visqueux. L'objectif est de garantir qu'en aucun endroit la température de la gaine PTFE ne dépasse 110 degrés, même aux endroits les plus chauds à proximité du fil de résistance interne.

Contrôle de la température comme protection
Pour respecter la limite de 110 degrés, une mesure précise de la température et un contrôle fiable sont nécessaires. Les thermoplongeurs doivent être équipés d'un capteur de température (thermocouple ou RTD) aussi proche que possible de l'élément chauffant ou à l'intérieur de la gaine PTFE. Ajoutez un coupe-circuit de sécurité à limite élevée-en guise de secours pour une restriction de température maximale autorisée sur le contrôleur.

Il a été découvert que la majorité des pannes prématurées des éléments chauffants en PTFE ne sont pas causées par une température de consigne trop élevée mais par une surchauffe localisée. Facteurs entraînant une surchauffe locale :

Faible niveau de liquide exposant une partie de la gaine chauffée à l'air.

Encrassement de la surface de la gaine, entraînant une réduction du transfert de chaleur.

Mauvaise circulation de l’air autour du radiateur entraînant des zones stagnantes.

Densité de puissance élevée entraînant un gradient de température élevé entre le fil interne et la surface de la gaine.

N'importe laquelle de ces conditions peut augmenter la température de la gaine jusqu'à des niveaux nocifs, même lorsque la température globale du liquide est inférieure à 110 degrés.

Conclusions
La température de fonctionnement influence directement l'intégrité mécanique de la gaine PTFE. L'influence de la température sur la résistance mécanique du PTFE entraîne une perte de résistance à la traction, une augmentation de la susceptibilité au fluage et une réduction de la résistance à la pression du matériau à des températures supérieures à la température ambiante. À la limite de service continu de 110 degrés, le PTFE ne conserve qu'environ 40 % de sa résistance à la traction à température ambiante, et les taux de fluage deviennent suffisamment importants pour induire une déformation à long terme.

La limite de 110°C n’est pas un chiffre arbitraire mais une limite mécanique. Le dépassement de cette limite peut provoquer un effondrement de la gaine, un gonflement, un amincissement, une défaillance du joint et une panne électrique finale. Ainsi, le contrôle de la température et une densité de watts correcte sont cruciaux pour maintenir la durée de vie du radiateur. Lorsqu'elle est utilisée dans l'environnement de température pour lequel elle a été conçue et dans des conditions de transfert de chaleur acceptables, la gaine en PTFE conservera sa résistance mécanique et protégera l'élément chauffant interne pendant des années de fonctionnement fiable.