Jaký je dopad těsného ohybu na vnitřní odporový drát a jeho elektrický výkon?

Plášť z PTFE může zvenku vypadat dobře, ale pokud byl odporový drát uvnitř při ohýbání přetížen, uvnitř se tvoří horké místo. Ohyb je častým místem předčasného vyhoření a základním důvodem je často mechanické poškození drátu, poškození, které nelze odhalit žádnou vnější kontrolou. Pochopení efektu fungování ohřívače PTFE s vnitřním odporovým drátem v těsném ohybu je zásadní pro každého, kdo specifikuje nebo instaluje tvarované ponorné ohřívače v náročných průmyslových provozech.

Reakce vnitřního odporového drátu na ohyb
Uvnitř každého PTFE ponorného ohřívače je kovový odporový drát. Obvykle je použitou slitinou slitina NiCr (nikl chrom) (Nichrom). Drát je pracovní srdce ohřívače; když jím prochází elektrický proud, dochází k odporovému ohřevu. Ve většině provedení je drát stočen do dokonalé spirálové cívky nebo položen jako rovný, homogenní pramen po celé délce PTFE pláště.

Poté se ohřívač ohne do určitého tvaru. Odporový drát je pak ohnut ve stejné křivce. Mechanická odezva drátu je funkcí polohy vzhledem k ohybu:

Na vnější straně ohybu - Drát je napnutý. Pokud je poloměr ohybu dostatečně velký, drát se pružně natáhne a po uvolnění ohybové síly se vrátí do své původní délky. Pokud je však ohyb příliš ostrý, drát překročí svou mez pružnosti a získá trvalou plastickou deformaci, která jej lokálně ztenčí.

Drát je uvnitř ohybu pod tlakem. Pokud jej prudce ohnete, vnitřní kruh drátu se stlačí a drát se zkroutí/zalomí/shlukne. V konstrukci spirálového drátu se po sobě jdoucí závity mohou navzájem dotýkat nebo být nerovnoměrně rozmístěny.

Elektrické důsledky: horké místo a natažený drát
Elektrické poruchy různého typu vznikají z těsných ohybů odporového drátu PTFE ohřívače, což vede ke snížení výkonu a kratší životnosti.

Lokalizované zvýšení odporu
Když se drát natáhne a ohne směrem ven, odporový drát se ztenčí a plocha průřezu se zmenší. Elektrický odpor je nepřímo úměrný ploše průřezu -, takže tenčí část má větší odpor na jednotku délky. Toto lokální zvýšení odporu znamená, že při stejném proudu procházejícím celým ohřívačem produkuje ohnutý kus nepoměrně větší množství tepla (výkon=I2R). To tvoří horké místo, malou část ohřívače, kde je teplota mnohem vyšší než ve zbytku ohřívače.

Důsledky horkých míst
Hot spot je zodpovědný za řadu mechanismů selhání:

Oxidace odporového drátu - Čím rychlejší oxidace slitiny NiCr, tím vyšší je teplota. Oxidace ještě dále zvyšuje odpor a vytváří kladnou zpětnovazební smyčku, která nakonec povede k roztavení-nebo přerušení obvodu.

Degradace okolního PTFE pláště - PTFE lze nepřetržitě provozovat při 110 stupních , i když horká skvrna může být lokálně vyšší než 200 stupňů nebo více. Při těchto teplotách se PTFE začíná zhoršovat, ztrácet dielektrickou pevnost a možná emitovat korozní vedlejší produkty. Při přetíženém ohybu může plášť změknout, deformovat se nebo prasknout.

Snížení životnosti drátu-způsobené únavou
Když plastická deformace neporuší natažený drát ani při ohýbání, dochází ke koncentraci napětí. Drát bobtná a smršťuje se po opakovaném tepelném cyklování (zahřátí na provozní teplotu a ochlazení zpět na okolní teplotu). Oblast ohybu pod tahem je vystavena cyklickému mechanickému namáhání, které způsobuje únavové porušení. Drát, který by v rovném provedení mohl přežít roky, může v těsném ohybu selhat během měsíců.

Problém shlukování a kontaktu mezi zatáčkami
U topných prvků vinutých drátů může těsný ohyb na vnitřní straně křivky stlačit cívku a způsobit kontakt sousedních závitů. Pokud se závity dotknou, elektrický proud může přeskočit zamýšlenou šroubovici, čímž se zmenší aktivní délka drátu v této oblasti. To snižuje místní odpor (proti nataženému-efektu drátu) – ale způsobuje další problém – přetížení proudu a nerovnoměrné rozložení tepla. Kontaktní bod se může lokálně obloukovat nebo zahřívat a opět tvořit horké místo.

Ve skutečnosti by měření elektrického odporu na svorkách ohřívače mohla nejprve ukazovat normální hodnoty. V multimetru je odpor celého vodiče v rámci specifikace, takže malé horké místo nelze detekovat. V mnoha případech k poruše dojde po určité době provozu, někdy po stovkách hodin, někdy jen po několika dnech, kdy se horké místo nakonec roztaví v drátu nebo když narušený PTFE umožní zkrat k zemi.

Integrita vnitřního drátu po testování ohybem
Plášť PTFE není průhledný, takže vnitřní drát nelze vizuálně zkontrolovat. Výrobci, kteří si uvědomují kvalitu-kvalitu, používají rentgenovou kontrolu k analýze rozmístění vodičů v hotovém ohnutém ohřívači. Rentgen-snímek odhaluje:

Rovnoměrné rozmístění závitů cívky (žádné shlukování nebo oddělení)

Žádné zauzlování, silné ohyby nebo ztenčení drátu

Opakovatelnost polohy drátu vzhledem ke středové ose pláště

Dobře tvarovaný ohyb zachoval původní geometrii drátu prostřednictvím ohýbání vyhřívaného trnu a post-ohybového žíhání. Drát na vnější straně ohybu není namáhán nad mez pružnosti a drát na vnitřní straně se neláme. Rozteč drátů je rovnoměrná, což pomáhá podporovat rovnoměrné teplo po celé délce ohřívače.

Jak tepelné cyklování zhoršuje malé poškození ohybem
Mírně utažený ohnutý ohřívač vydrží počáteční{0}}zapnutí a dokonce i několik dní nepřetržitého provozu. Tepelné cyklování (ohřívání a chlazení) však zvyšuje poškození dvěma způsoby:

Rozdílová roztažnost - Drát a PTFE plášť mají odlišné koeficienty tepelné roztažnosti. Každý cyklus generuje smyková napětí na kontaktu pláště vodiče-, lokalizovaná v ohybu, kde je vodič již namáhán.

Progresivní oxidace - Jakmile každé horké místo dosáhne vysoké teploty, vytvoří se na drátu malý povlak oxidu. Tato vrstva oxidu je méně vodivá a křehčí. Nakonec se drát stane tak tenkým a zoxidovaným, že se přetrhne.

Z praxe v terénu jsme zjistili, že pokud ohnete ohřívač na méně než 5 až 6násobek poloměru vnějšího průměru, za normálních podmínek cyklu obvykle selže za 3 až 12 měsíců, zatímco stejný ohřívač s odpovídajícími ohyby vydrží 5 nebo více let.

Závěr: Elektrická spolehlivost je mechanická přesnost
Dlouhodobá elektrická spolehlivost je založena na ochraně vnitřního odporového drátu před přetížením během ohýbání. Těsné ohyby zkroutí nebo shluknou drát, což způsobí lokalizovaná horká místa, která podporují oxidaci, poškozují PTFE plášť a vedou k předčasnému vyhoření. Počáteční elektrické testy mohou projít, ale skryté poškození se vždy projeví v provozu.

Toto pochopení vede k obecnějšímu závěru, že kvalita ohřívače je kombinací mechanické přesnosti a elektrického výkonu. Ohýbání-ohýbání vyhřívaného trnu, po-ohybové žíhání a ověřování rentgenovým zářením jsou bez napětí-a používají stejné výrobní postupy, které zachovávají integritu drátu vnitřního odporu. Určení minimálního poloměru ohybu nestačí k ochraně drátu, zabránění vzniku horkých míst a zajištění dlouhé životnosti, kterou průmyslové aplikace vyžadují.