Care este gradul de putere maximă sigură (W/cm² pe secundă) pentru un încălzitor PFA pentru a evita formarea aburului intern?

Activarea rapidă a unui încălzitor PFA dintr-o stare rece are ca rezultat încălzirea substanțială a miezului metalic în comparație cu mantaua PFA ambientală. Dacă există umiditate rămasă la contactul cu metalul PFA-(de obicei 5-50 mg de la fabricație sau umiditatea absorbită), umiditatea se supraîncălzește la abur înainte ca PFA să fie încălzit suficient pentru a permite difuzia. Presiunea ridicată a aburului (10–100 bar) ridică local PFA din miez și formează un blister. Odată dezvoltat, blisterul-umplut cu abur acționează ca un izolator termic, determinând ca zona să se încingă și blisterul să se extindă. Parametrul important pentru controlul formării blisterelor nu este densitatea în wați în starea de echilibru, ci gradientul de putere: cât de repede crește densitatea în wați (W/cm2/sec). Pentru un încălzitor tipic PFA fără protecție suplimentară împotriva umezelii, gradientul de putere maxim sigur este de 0,5 până la 1,0 W/cm2 pe secundă. Chiar și la densități de wați în stare constantă-mult sub valoarea nominală continuă a PFA, o densitate de wați peste 2–3 W/cm² pe secundă va induce arderea în 10–50 de cicluri de pornire.

Mecanismul de formare a aburului și creșterea temperaturii
Interfața metalică PFA-a oricărui încălzitor conține umiditate reziduală din trei surse: (1) apă absorbită din aerul umed în timpul depozitării (PFA este permeabil la vaporii de apă), (2) condens în timpul ciclurilor de răcire-și (3) reziduuri de fabricație. Un încălzitor „uscat” ar include în mod normal 5–20 mg de apă de-a lungul interfeței pe o lungime de 1 m. În timpul unei porniri la rece și la putere maximă, temperatura miezului metalic crește cu o rată dată de dT/dt=(P×η)/(m×c_p), unde P este puterea (W), η este randamentul (≈0,95), m este masa miezului (≈2–4 kg pentru un încălzitor de 6 kW) și c_p este căldura specifică a lui (≈·K Incoloy) (≈0,95). Pentru un încălzitor de 6 kW cu un miez de 3 kilograme dT/dt=(6.000 x 0,95) / (3 x 450)=5, 700 / 1,350=4.2 grade /sec. Miezul atinge 100C în (100-20)/4.2=19 secunde. Suprafața exterioară a PFA, în contact cu lichidul rece, se încălzește mult mai lent. Suprafața interioară a PFA (lângă miez) este de aproximativ 100 de grade la t=19 secunde, totuși suprafața exterioară ar putea fi de numai 30-40 de grade . Temperatura de-a lungul întregului perete la t=19 secunde este de 60-70 de grade .

Apa la contact fierbe la 100 de grade. Această schimbare rapidă de fază de la lichid la vapor are ca rezultat o creștere de 1.600 de ori a volumului. Interfața interfață (0,1-1,0 µm) este prea mică pentru a permite această expansiune și presiunea crește la 10-100 bar. local cedează PFA și se formează un blister - un compartiment delaminat de în general 2-10 mm în diametru. Blisterul este umplut cu abur cu o conductivitate termică de ~0,02 W/m·K (10x mai mică decât PFA). Zona blisterului este o zonă fierbinte cu o creștere locală a temperaturii de 20-50 de grade. De fiecare dată când se întâmplă acest lucru, blisterul devine mai mare și atrage umezeală din regiunea înconjurătoare. Blisterul se poate rupe în 10-100 de cicluri și poate expune miezul metalic la lichidul de proces, rezultând o eroare bruscă la pământ.

Limitele gradienților de putere în funcție de starea încălzitorului
Conținut de umiditate la încălzitor Condiție de umiditate Interfață (mg/m lungime) Maximum dq/dt (W/cm2.s) sigur Starea constantă maximă -q (W/cm2) Timp până la putere maximă (pentru încălzitorul de 4 W/cm2) Control de pornire recomandat
Uscat în vid sau purjat cu azot 1 mg 5-100,4 până la 0,8 sec. Până la 5 Început bun
Nou din fabrică (depozitare uscată)5-10 mg 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 sec. Pornire ușoară (rampă de 3-5 sec.)
Standard implementat în climat umed10–25 mg 1,0–1.5 3–4 2.7–4,0 secunde Controlul rampei (5 până la 10 secunde)
Aged (>2 ani serviciu umed) 25-50 mg 0.5-1.0 2-3 4-8 sec Rampă lentă (10-20 sec)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 mg 0,2–0.4 1–2 10–20 sec se usucă înainte de utilizare pornire foarte lent
Încălzitor cu blistere anterioare (văzute sau simțite) Variabilă N/AN/AN/A Înlocuiți încălzitorul; nu poate fi recuperat
Verificare in teren si calcul practica
Pentru a determina gradientul de putere al unei instalații existente: Măsurați timpul de la punerea sub tensiune a încălzitorului (la ieșirea controlerului) până la momentul în care încălzitorul atinge puterea la starea de echilibru. Pentru un încălzitor rezistiv controlat simplu pornit/oprit, puterea maximă este furnizată imediat-gradientul este practic nelimitat pentru prima milisecundă. E riscant. gradient=(densitatea finală de putere)/(durata rampei) pentru controlul SCR cu unghiul de fază-cu o rampă de pornire ușoară. Exemplu: un încălzitor de 6 kW cu o suprafață de 0,1 m2 (qfinal=6 W/cm2) și o perioadă de rampă de 10 secunde produce dq/dt=6 / 10=0.6 W/cm2 pe secundă - sigur. dq/dt=3 W/cm² pe secundă, timp de rampă 2 secunde - periculos pentru majoritatea încălzitoarelor.

Field verification of presence of blisters (1) Insulation resistance measurement (megohmmeter, 500 V DC) before start-up (cold) and just after steady state temperature is reached. The decrease in resistance from >1.000 MΩ până la 100-500 MΩ la încălzire semnifică migrarea umidității și potențiala formare de vezicule. (2) Treceți degetele de-a lungul suprafeței PFA cu încălzitorul oprit și răcit. Blisterele sunt resimțite ca niște bulgări (1-5 mm în diametru, ușor ridicate). (3) O cameră cu infraroșu poate fi utilizată în timpul pornirii pentru a detecta regiunile blistere ca puncte fierbinți localizate (5-20C deasupra tecii înconjurătoare) în 30-60 de secunde de la aplicarea puterii. Dacă se găsește un blister, încălzitorul trebuie înlocuit.

Strategia de control pentru prevenire
Cel mai bun mod de a evita formarea aburului este să utilizați o pornire ușoară-sau o rampă de alimentare. Pentru încălzitoarele convenționale, o rampă programabilă care crește progresiv puterea de la 0% la 100% în 10–30 de secunde limitează dq/dt la 0,2–0,7 W/cm^2/sec. Timpul rampei trebuie determinat în funcție de masa încălzitorului și de starea de umiditate așteptată. Punct de pornire conservator: timpul de rampă (s) este egal cu densitatea de wați în regim stabil (W/cm^2). Rampă 4-8 secunde pentru încălzire de 4 W/cm2. Pentru un încălzitor despre care se știe că are umiditate ridicată (perioada de inactivitate extinsă în zona umedă), utilizați 15 până la 30 de secunde. O pornire ușoară se poate face cu un releu de bază cu întârziere și cu un releu cu stare solidă (necostisitor, 50-150 USD) sau cu un controler PID programabil cu capabilități de rampă (Watlow, Omron, Eurotherm etc.). Rampa va fi folosită la fiecare pornire și nu numai după întreruperi de curent. Pentru încălzitoarele care circulă mult (de multe ori pe zi), o rampă scurtă (5-10 secunde) este suficientă, deoarece umiditatea nu are șansa să se acumuleze mult între cicluri.

Pentru noile specificații ale încălzitorului, inginerii ar trebui să solicite o procedură de purjare a umidității, în care încălzitorul este încălzit la 120 de grade sub vid sau flux de azot uscat timp de 24 de ore pentru a elimina umiditatea interfeței înainte de livrare. Producătorul garantează umiditate reziduală < 1 mg. Astfel de încălzitoare pot supraviețui dq/dt până la 5 W/cm2/sec. Diferența de preț este minimă (10-20% premium) Pentru aplicațiile esențiale în care pornirea soft nu este disponibilă, selectați „încălzitor uscat cu umplere cu azot” și solicitați certificare.

Concluzie: Încălzitoarele standard limitează dq/dt la Mai puțin sau egal cu 1W/cm2/sec
Pentru un încălzitor PFA convențional, gradientul de putere maxim sigur pentru a evita formarea internă a aburului este de 0,5-1,0 W/cm^2/sec echivalent cu un timp de rampă de 4-10 secunde până la puterea maximă pentru un încălzitor de 4 W/cm^2. Gradienții mai mari supraîncălzesc umiditatea rămasă la contactul cu metalul PFA-, formând blistere de abur care se extind cu fiecare ciclu termic și în cele din urmă izbucnesc, ducând la defecțiune la pământ. Prevenirea este simplă și ieftină, folosind controlere cu pornire ușoară sau funcții de rampă programabile. Gradienții siguri cresc la 5-10 W/cm2/sec pentru încălzitoarele cu conținut scăzut de umiditate stabilit (1 mg prin uscare în vid). Dacă o astfel de documentație nu este disponibilă, presupuneți o umiditate de 10–25 mg și utilizați o perioadă de rampă de cel puțin 5 secunde pentru încălzitoarele de până la 4 W/cm 2 . Penalizarea de timp minimă este neglijabilă în comparație cu costul înlocuirii încălzitorului și cu timpul de nefuncționare al procesului din cauza defecțiunii legate de blister. Inginerii ar trebui să definească dq/dt maxim sau timpul minim de rampă în specificația de achiziție a încălzitorului. Un încălzitor care se aprinde la pornire nu este defect de material - este victima unui gradient de putere excesiv în raport cu starea sa de umiditate. Controlați gradientul, controlați veziculele.