Proč je ohřívač PFA s vinutým drátěným prvkem odolnější vůči tepelnému šoku než litý-v designu?

Tepelný šok, jako je rychlé ponoření horkého ohřívače do studené kapaliny nebo rychlé cyklování napájení, způsobuje velké teplotní gradienty v plášti PFA. Mechanická poddajnost vinutého prvku a rozptýlené teplo dávají ohřívači vinutého drátu (odporový drát navinutý kolem trnu, zapouzdřený v PFA) výhodu oproti lité- konstrukci (kovové topné těleso zalité přímo do bloku PFA) při tepelném šoku. Drát je navinutý ve cívce a může se ohýbat a roztahovat nezávisle na plášti PFA, aby absorboval rozdílná expanzní zatížení. Zalité-obsahuje tvrdokovový prvek přilepený přímo k PFA. Kov a PFA mají velmi odlišné koeficienty tepelné roztažnosti (CTE: kov 14-17 ppm/stupeň, PFA 110-120 ppm/stupeň). Pevný kontakt vytváří napětí v jednom místě při rychlých změnách teploty. Dochází k delaminaci nebo praskání. Terénní výsledky testů tepelného cyklování odhalují, že ohřívače se stočenými dráty vydrží o 5–10 cyklů tepelného šoku více než zalitá zařízení stejného výkonu.

Jak odolává tepelnému šoku?
V ohřívači stočeného drátu není odporový drát vázán k PFA. Je zasazen do keramického nebo kovového jádra, které je potaženo PFA. Cívka se může volně roztahovat a smršťovat radiálně a axiálně při změnách teploty. Drát má CTE 6x nižší než plášť, proto se plášť PFA roztahuje více než vodič, ale cívky vodiče se poněkud otevírají (rozteč se zvětšuje), aby se vyrovnal s nesrovnalostí. Kontakt mezi drátem a PFA se setkává s velmi malým smykovým napětím, přičemž PFA se může ohýbat kolem drátu bez omezení.

Odlitek-v provedení zcela zapouzdřuje kovové topné těleso (obvykle rovná tyč nebo trubka ve tvaru U-) v PFA. Kov je vázán na PFA. V případě rychlé změny teploty expanduje PFA 6× rychleji než kov. Protože je kov tvrdý a spojený, PFA se nemůže volně roztahovat-je natažený kolem kovu. Tahové napětí, které vzniká při kontaktu kovu-PFA, může být až 5–10 MPa při tepelném šoku 100 stupňů . PFA má pevnost v tahu 12-15 MPa, ale vazebnou pevnost ke kovu 2-5 MPa. Odděluje rozhraní a vytváří mezeru. Do mezery se dostane vlhkost a doprovodné tepelné šoky způsobí rozbití PFA.

Cykly tepelných šoků: kvantitativní srovnání
Typ ohřívače Konstrukce Teplotní šok (ΔT) Cykly do režimu selhání delaminace/prasknutí Svinutý drát, 2 mm PFA Drát navinutý přes keramické jádro 100 stupňů (150 stupňů až 50 stupňů) 5 000–10 000 Postupná únava (drát může prasknout jako první)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >Minimální škoda 20 000
Přímá tyč, litá-v PFA litá kovová tyč 100 stupňů 500–2000 Metal-Delaminace PFA na rozhraní
Zalitá-ohýbaná kovová trubka ve tvaru U- odlitá z PTFE 100 stupňů 200–1 000 Vnitřní poloměr ohybu praskání
Lepicí vrstva odlitá-kov + základní nátěr + PFA 100 stupňů 1 000–3 000 Selhání lepidla (odlupuje se základní nátěr)
Vinutý drát, silný plášť (3 mm PFA) Silný vinutý drát PFA 100 stupňů 8 000–15 000 A lepší tenký plášť
Rozšiřující slot pro kovové jádro Zalité-kovové jádro s mezerou 100 stupňů 2 000–4 000 Vylepšené, ale stále méně než stočené
Proč Cast-v designech selhává v důsledku tepelného šoku
Odlitek-v designu je citlivý, protože mezi kovem a PFA je velká plocha spojů. Pro 1 m dlouhou kovovou tyč o průměru 10 mm odlitou v PFA je lepená plocha π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Celý nesoulad v expanzi o 100 stupňů je ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. PFA chce vysunout o 11 mm více než kov. Protože jsou propojeny, PFA se pružně natahuje a vytváří napětí. Smykové napětí na rozhraní je τ=G × ΔL / t, kde G je modul ve smyku a t je tloušťka PFA. Pro t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa nemožné. V reálném případě PFA vede k delaminaci na rozhraní. Napětí se koncentruje na koncích kovové tyče (kde je nesoulad největší) a tvoří se trhliny a rostou dovnitř.

Ohřívače vinutých drátů nemají tak velké spojené rozhraní. Drát se dotýká PFA pouze v lokalizovaných bodech (vnější průměr cívek). Celková kontaktní plocha je minimální (10-20 % odlité- plochy). Kontakty jsou nespojené (drát může sklouznout). Pohyb drátu, nikoli natažení PFA, vyrovnává nesoulad rozpínání.

Praktické důsledky pro volbu
Pro aplikace, kde je časté tepelné cyklování (denní start/stop, dávkové procesy nebo cykly čištění tepelným šokem), by měl být specifikován spirálový ohřívač PFA. Zalévané-ohřívače jsou vhodné a obvykle méně nákladné pro aplikace v ustáleném stavu- (nepřetržitý provoz, žádné cyklování).

Ideální pro: Vsádkové reaktory, pokovovací linky, které se denně vypínají, cykly zmrazování-rozmrazování, čištění tepelným šokem (namáčení ohřívače do studené kapaliny), přenosné ohřívače.

Zalité-vhodné pro: Nepřetržité chemické zpracování, 24/7 ohřev vody, záložní ohřívače, -cyklické aplikace.

Ohřívače vinutých drátů jsou obvykle o 20-40 % dražší než lité-kvůli složitějšímu vinutí a konstrukci. Premium je odůvodněno prodlouženou životností při tepelném cyklování. Zalité topné těleso, které se rozbije po 500 cyklech (6 měsíců denního cyklování), lze vyměnit 5x za 2,5 roku; ohřívač stočeného drátu může vydržet celou dobu s jednou výměnou.

Polní test
The cast-in PFA heaters were utilised in a batch plating process with 10 cycles per day (heat up from 25°C to 85°C, then cool down to 25°C). Heaters delaminated after 3-4 months (ca. 1000 cycles) The plant was converted over to coil wire heaters. The same heaters lasted over 3 years (>10 000 cyklů). Dodatečné počáteční náklady (30% prémie) splacené za 6 měsíců díky nižší práci při výměně a prostojům.

Závěr: Stočený drát je 5-10x odolnější vůči tepelnému šoku
Topné těleso PFA s vinutým drátěným prvkem je mnohem odolnější vůči tepelným šokům než lité-provedení, protože stočený drát se může ohýbat a roztahovat nezávisle na plášti PFA, aby se přizpůsobil rozdílné tepelné roztažnosti, aniž by generoval podstatné mezipovrchové napětí. Odlitek-v provedení způsobuje, že kovový prvek je pevně spojen s PFA, což má za následek delaminaci a prasknutí při rychlých teplotních výkyvech. Pro aplikace, kde dochází k pravidelnému cyklování teploty (denně nebo mnoho cyklů za den), specifikujte vinutý drát. Odesílání-je v pořádku a snižuje náklady na nepřetržitý provoz v ustáleném stavu. Vlité-ohřívače zabíjí tepelný šok. Cívka drátu přežije. A pokud si nejste jisti, zabalte to. Je odolnější.