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Hallo,

Ich habe einige Fragen zu der Auslegung einer Kunststoffdichtung. Diese Kunststoffdichtung dient zur Abdichtung eines Zwischenflansch, durch den ein heißer Fluidstrom fließt (siehe Anhang).
Das heiße Fluid heizt die Kunststoffdichtung auf und lässt es aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Dichtung ausdehnen. Da die Dichtung spielfrei zwischen dem Gehäuse und einem metallischen Ring liegt, wird durch die Ausdehnung eine mehr oder weniger große Wärmespannung erzeugt, die zur gewünschten Dichtwirkung zwischen Dichtung und Gehäuse führt.
Meine Frage: Wie groß ist diese Spannung?

Welchen Kennwert des Dichtring-Kunststoffes muss ich als Grenzwert für die Spannung annehmen? Also ab welcher Spannung beginnt der Dichtring sich plastisch in Richtung der Mittelachse zu verformen?
Muss ich die Druckfestigkeit, Druckfließspannung, Druckspannung bei Bruch o.ä. annehmen?

Annahme: Ich heize alles immer weiter auf, durch die größer werdende Wärmeausdehnung erhöht sich stetig der Anpressdruck des Dichtungsringes an den Metallring. Die Frage ist nur bis wann? Ab wann setzen plastische Verformungen ein, die dazu führen, dass die Wärmespannung wieder abnimmt?

Ich hoffe, dass mir hier jemand helfen kann.

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Hallo Platzhirsch, willkommen bei CAD.de. 
Der Anhang ist hier nicht angekommen, sollte aber kein Problem sein.  Ist die Dichtung aus Thermo- oder Duroplast oder Gummi.
Wie hoch sind die Temperaturen ?

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Klaus

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Unbenannt.JPG

Hab ich doch glatt den Anhang vergessen.
(1) ist der Dichtring
(2) der Metallring

Temperaturen liegen bei 250Grad
Material ist PTFE (mit 25% Kohle).

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Hallo und auch ein Wilkommen von mir Platzhirsch.

Nicht so trivial wie du das beschreibst.
Erst mal hier das Verhalten von PTFE bei Wärme.
Folgendes fällt mir noch auf.
Spielfrei in dem Gehäuse bedeutet auch, das der Metallring durch seine Ausdehnung und das Gehäuse mit seiner Ausdehnung zusätzliche "Druckkräfte" auf den PTFE Ring ausüben werden.
Du schreibst:

Zitat:

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wird durch die Ausdehnung eine mehr oder weniger große Wärmespannung erzeugt, die zur gewünschten Dichtwirkung zwischen Dichtung und Gehäuse führt

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Ist das den vorher undicht??
Steht der PTFE Ring unter Vorspnnung?
Erwartest du eine größere Verformung in radialer Richtung als denn in achsialer?
Was ist, wenn der PTFE Ring durch seine Ausdehnung den gesammten Raum ausgefüllt hat?

Gruß
ThoMay

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Genau den Link kenne ich schon. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von PTFE nimmt mit steigender Temperatur nahezu exponentiell zu. Daher erwarte ich eine recht große Wärmeausdehnung des Ringes. Die Ausdehnung kann nur in Richtung der Mittellinie erfolgen, da der Ringe radial und axial am Außendurchmesser spielfrei gepasst ist (zur Vereinfachung dieser Aufgabenstellung. Real ergibt die Toleranzbetrachtung aller Bauteile mal eine Vorspannung und mal nicht).
Der PTFE-Ring steht daher nicht unter Vorspannung.

Zur Vereinfachung habe ich bisher den Wärmeausdehnung der umliegenden Stahl-Bauteile vernachlässigt (bei einem Unterschied zum PTFE von weit über 10 wohl vertretbar).

Der PTFE-Ring dehnt sich also mit jedem Kelvin Erwärmung Richtung Mittellinie aus (verkleinert also stetig seinen Innendurchmesser). Die Frage ist nur, wann die maximale Spannung erreicht ist die der PTFE-Ring auf den Metallring ausübt...

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Sind das 25 % Ruß oder Kohlefaser ?

Wie hoch ist der Innendruck ?

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Klaus

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25% Ruß. Werkstoffänderungen zugunsten besserer Dichteigenschaften werden in Erwägung gezogen. Die Temperatur steigt gelegentlich auf knapp 300°C, weswegen überlegt wird auf PBI umzusteigen, das aber einen um den Faktor 10 geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

Innendruck übrigens bis zu 400 bar.

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Hallo Platzhirsch, ich kann Dir sagen was der Ruß im Autoreifen bezweckt. Aber bei PTFE ist mir soviel noch nicht untergekommen. 
Ich würde jetzt mal das genaue Datenblatt des Werkstoffs studieren. Sonst kann ich mich nur ganz allegemein auslassen, was ich so oft hier mache.
Mit dem Begriff Teflon sind manche schnell bei der Hand aber reines PTFE ist selten, weil schwierig zu verarbeiten. 25 % Ruß erhöhen die Leitfaähigkeit gewaltig. Also auch die Wärmeleitfähigkeit der Dichtung. Weil das Rohr aussen vermutlich kalt ist, bekommt die Dichtung dann vermutlich so höchstens 200° C ab. 

Bei Gummi erhöht der Ruß auch noch die Festigkeit, es kommt aber auf die Art des Rußes an. Deswegen kann die Dichtung hier sehr lange halten. Aber wenn Du keine konkreteren Materialeigenschaften hast mußt Du einfach ausprobieren.

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Klaus

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Das Rohr wird von außen geheizt, da das Fluid auf 1-2 K genau beheizt werden muss. Jetzt erklärt sich auch wohl wieso da Ruß drin ist, eine höhere Wärmeleitfähigkeit trägt zur besseren Steuerung der Fluidtemperatur bei.

Meine aktuelle Gedankengänge sind diese: Durch Aufheizen des gesamten Systems wird eine Wärmespannung im Dichtungsring erzeugt (erzeugt durch die radiale Begrenzung). Diese Wärmespannung steigt bis zu dem Wert, bei dem sich der Dichtungswerkstoff plastisch verformt. Ab diesem Spannungswert führt eine weitere Temperaturerhöhung zu keiner höheren Wärmespannung. Die plastische Verformung "dämpft" also die Wärmespannung. Jetzt steht nur noch die Frage im Raum, bei welcher Spannung diese plastische Verformung einsetzt...

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Du denkst viel zu weit.  Nach dem Link von ThoMay oben, liegt die Vicat Temperatur bei ca. 110° C . Das ist das Material schon sehr weich. Nach dem Dehnungs-Diagramm dehnt sich PTFE da erst 1,5 %.

Das mit der plastischen Verformung kannst Du vergessen, weil jeder Thermoplast mit zunehmender Temperatur auch weicher wird. 

Kunststofftechnik ist eben kompliziert.

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Klaus

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Meinst Du dieses Material:
http://www.khp-kunststoffe.de/Downloads/Hochleistungskunststoffe/Datenblatt_30_PTFE_und_Kohle.pdf
Ich finde die Angaben schon sehr dürftig. Kohle ist ein Heizmaterial. Für technische Anwendungen ist der Begriff schon sehr gewagt.

Bei Thermoplasten gibt es besseres zu Verstärkung, wie Glasfaser, Kohlefaser, Talkum oder sonst was.

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Klaus

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http://www.ptfe-spezialvertrieb.de/pdf-dateien/PTFE_PTFE-Compounds.pdf
Hier gibts Infos dazu.

Mir geht es jedoch mehr darum zu verstehen welche Mechanismen bei einer Temperatursteigerung im Dichtring ablaufen (Wie ist z.b. der Verlauf der Wärmespannung die der Ring ausübt?)Aufgrund von Relaxationsvorgängen nimmt diese sicherlich mit der Zeit auch ab, aber es geht mir vordergründig zu wissen welche Mechanismen ablaufen. Zahlenwerte sind mehr weniger wichtig. Es sollte so allgemein sein, dass das genaue Material des Dichtringes nicht unbedingt PTFE+Kohle ist.

Eine Erklärung in etwa so wäre schön:
"Wird der Ring erhitzt, so erhöht sich die Wärmespannung stetig bis zur XY-Temperatur. Bei der XY-Temperatur beginnen die Moleküle "Umstrukturierungen" die ab der XY-Temperatur bis zur XZ-Temperatur dazu führen, dass die Wärmespannung abnimmt. Die XZ-Temperatur ist diejenige Temperatur, ab der sich das Material plastisch".
Die XY/XZ-Temperaturen sind dabei evtl. durch irgendwelche XY-Spannungen zu ersetzen (wie zB Druckfestigkeit).

Eine solche Erklärung mit konkreten Festigkeits- oder Temperaturwerten (qualitativ genügt, quantitativ ist nicht erforderlich), die wünsch ich mir 

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Der Kunststoff dehnt sich nicht nur bei Erwärmung, sondern er wird auch noch weich. Dafür gibt es Schubmodul-Temperatur-Kurven. Aber die habe ich nicht von dem genauen Material. Die wird es auch nicht geben, weil man unter dem Begriff "Kohle" viel verstehen kann.

Wie ich oben schon erwähnte ist PTFE bei 110 ° C schon so weich, daß man es nur noch hydrostatisch belasten kann. ( Von allen Sieten gleich mit Druck belasten) Das ist bei dieser Dichtung auch der Fall.
Da relaxiert nichts. 
Spätestens bei 400° C fangen alle Polymere an sich zu zersetzen.
warum nimmst Du nicht Kupfer oder ALu für die Dichtung ?

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Klaus

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Letztendlich ist genau das meine Aufgabe, also ein alternatives Material zu finden, welches besser die 300°C aushält (und dicht hält, auch bei häufigem Aufheizen/Abkühlen).
Problem ist, dass der Metallring (In der Zeichnung als 2 markiert) nur mit einer bestimmten Kraft bzw. einem bestimmten Druck von dem Dichtring belastet werden darf.
Ein metallischer Dichtring wird bei hohen Temperaturen wohl durch seine größere Wärmespannung eine zu große Kraft auf den anderen Ring(2) ausüben (Wärmespannung ist ja abhängig von dem E-Modul).Natürlich muss der neue Werkstoff auch eine größere Wärmeausdehnung besitzen als die umliegenden Bauteile.

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Bei 300° C ist jedes polymere Material so weich, das der Ring (2) immer den vollen Druck abbekommt. Das ist ja auch der Sinn einer Dichtung.
Wenn das nicht möglich ist, mußt Du eben umkonstruieren.
Eine Möglichkeit wäre noch eine U-fürmige Dichtung, aus Alu oder CU,  die sich durch den Innendruck nach außen drückt.
Bei Alu und CU gibt es so viele Legierungen, da ist bestimmt eine dabei mit der richtigen Wärmedehnung.
Letztendlich gibt es auch noch Weicheisen oder weichgeglühten Stahl zum Dichten.
Nach Deiner Skizze oben, gibt es da noch so viele Möglichkeiten eine Dichtung einzubauen.

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Klaus

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Was meinst du mit "Bei 300° C ist jedes polymere Material so weich, das der Ring (2) immer den vollen Druck abbekommt"? Wenn der Dichtring weich wird, übt er doch so gut wie keinen Druck mehr auf den Ring(2) aus, oder?
Den Innendruck durch das Fluid habe ich bisher immer außen vorgelassen, da ich die Mechanismen des Dichtringes verstehen wollte (Berücksichtigung des Innendrucks würde alles verkomplizieren).

Der Dichtring soll ja mit einem gewissen Druck gegen den Metallring(2) drücken, aber eben nicht zu stark.

Wie meinst du das mit der U-förmigen Dichtung aus Alu oder CU? Der offene Teil des U zeigt Richtung Fluid, oder? Der Vorteil einer solchen Bauform wäre doch, dass es im Gegensatz zu einem Dichtring aus Vollmaterial weniger Wärmespannung ausüben kann, oder?

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Bei der Vicat Temperatur 110 ° C ist PTFE so weich, daß da überhaupt kein Mechanismus mehr ist.
Da ist nur noch der Innendruck und sonst nichts. Der setzt sich fort in alle Richtungen genau wie eine Flüssigket.

Welche Spannungen ein Metallring verursacht, hängt von der Wärmedehnung im Vergleich zum Flansch aussen ab.
Wie ich oben schon schrieb, gibt es da bei Kupferlegierungen viele Möglichkeiten. Bai Alu wahrscheinlich auch.

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Klaus

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Danke für die raschen und sehr guten Antworten der letzten Tage.
Ich werde mich dann morgen mal nach metallischen Dichtungen umschauen

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Das Problem metallischer Dichtungen ist, dass diese bei 300°C sehr große Wärmespannungen erzeugen die zu sehr axial drücken.
Neben den 300 bar- und 300°C-Anforderungen gibt es nämlich noch die Anforderungen, dass die Dichtung keine axiale Kraft von ca. 100.000 N ausüben darf bei 300°C. Deshalb fallen metallische Dichtungen mit ihren hohen E-Modul aus...

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Meinst Du die axiale Kraft durch die Vorspannung oder durch die Wärmedehnung ?
Jeder Innedruck in einem Rohr erzeugt auch eine entsprechende axiale Kraft.
Ich meinte eine U-förmige Dichtung die nicht axial direkt vorgespannt ist. Wenn bei dem U die Schenkel ein bisschen V-förmig nach außen stehen und innen axial anliegen, ist die axiale Vorspannung äußerst gering.
Wenn dann die axiale Kraft immer noch zu groß ist, kannst Du die radiale Nut-Tiefe verringern, den die erzeugt durch den Druck auch noch axiale Kraft.
( Bin im Urlaub, kann jetzt kein Bild reinstellen )

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Klaus

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SWX_Dicht_1.PNG

So wie im Bild könnte eine umlaufende Matalldichtung funktionieren.

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Klaus

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Bei der Lösung mit einem U-Profil aus Metall muss man jedoch das Totvolumen eliminieren welches entsteht. Totvolumen ist bei dieser Art von Fluid nämlich nicht erwünscht...

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SWX_Dicht_2.PNG

Dann baue halt eine Massivdichtung aus weichem Metall oder Kunststoff wie im Bild oder ähnlich ein.
Da ist das Totvolumen gering, die Kräfte sind auch gering, wenn die Kontaktfläche klein ist. Die Wärmedehnung kannst auch vergessen.
Platzbedarf ist auch gering. Läßt sich natürlich noch optimieren.
Könnte höchstens Problem mit Korrosieon geben, aber auch das läßt sich lösen.

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Klaus

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der Bauraum hat eine Toleranzbreite von 0,4mm. Bei einer Gesamtbreite von 15mm kann man da niemals eine Vollmaterial-Metalldichtung verwenden...

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Konstruieren heißt Lösungen suchen, nicht Ausreden.
Der letzte Vorschlag kann auch axial funktionieren oder mit einem Zwischenstück. Bei Einzelanfertigung spielen Toleranzen keine Rolle.

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Klaus

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Schon allein die Vorspannung kann bei den aktuellen Abmessungen bei einer metallischen Dichtung zwischen 0 und 1.000.000 N schwanken. Kommen dann noch Wärmespannungen hinzu, die sich in derselben Größenördnungen Kräfte ausüben, wird definitiv die maximale axiale Kraft von 200.000 N überschritten.

Passcheiben kommen aufgrund der hohen Stückzahl nich in Frage.

Diverse Dichtungsfirmen bieten hitzbeständigere Materialien an, bzw. sog. Spiraldichtungen, mit denen das Dichtungsproblem eventuell zu lösen ist.

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Hallo Platzhirsch,

wenn schon Kohle, dann vielleicht eine Dichtung mit Graphit als Hauptbestandteil?
Bei diesem Lieferanten bekommst Du sicher kompetente Hilfestellung.

Viele Grüße
Andreas

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