Может ли нагреватель из PFA с металлической сеткой, встроенной во внешний слой, обеспечить обнаружение замыканий на землю, не обнажая металл?

Обычным методом обнаружения замыканий на землю в нагревателях PFA является измерение тока утечки из нагревательного элемента в технологическую жидкость. Если оболочка PFA треснута или проницаема, жидкость встречается с металлическим сердечником и образуется проводящий путь. Однако к тому времени, когда это произойдет, обогреватель уже серьезно поврежден. Неисправности можно обнаружить раньше, не подвергая голый металл коррозионному процессу, используя нагреватель из ПФА с металлической сеткой, имплантированной в наружный слой (между двумя слоями ПФА). Сетка обычно изготовлена ​​из нержавеющей стали или никеля и соединена с устройством контроля замыкания на землю. Когда внешний слой PFA поврежден (истерто, подвергается химическому воздействию или трескается), технологическая жидкость контактирует с встроенной сеткой, замыкая цепь на землю и вызывая предупреждение или отключение. Внутренний слой PFA остается на месте, поэтому металлический сердечник не соприкасается с ванной и не загрязняет ее. Эта установка позволяет обнаружить ухудшение состояния оболочки, в то время как основной барьер (внутренний PFA) остается полностью функциональным. Он надежно обнаруживает механические повреждения, истирание и химическое воздействие, но не обнаруживает проникновение (молекулярную диффузию через неповрежденный PFA).

Принцип построения и обнаружения
Нагреватель имеет трехслойную структуру: внутренний PFA (1,0-1,5 мм) поверх металлического сердечника, проводящая сетка (толщина 0,1-0,3 мм, открытая площадь 50-80%) и внешний PFA (0,3-0,5 мм) поверх сетки. Сетка подключается к устройству контроля замыкания на землю (специальному или обычному УЗО с нижним порогом 1–5 мА). Во время нормальной работы сетка изолирована от технологической жидкости внешним PFA. Сетка плавает на земле (или опорном напряжении). Если внешний слой поврежден — царапина, потертость или трещина — токопроводящая жидкость касается сетки. Ток утечки (обычно 0,5–5 мА) проходит от нагревательного элемента (120–480 В переменного тока) через внутреннюю PFA (емкостную связь или дефект) через сетку на землю. Монитор видит этот ток и либо отключает нагреватель, либо подает сигнал тревоги. Внутренний слой PFA остается на месте, и технологическая жидкость не касается металлического сердечника. Нагреватель можно заменить до того, как произойдет катастрофический отказ или загрязнение ванны.

Сетка должна быть построена так, чтобы не образовывалось путей емкостной связи, которые могут вызвать ложные срабатывания. Для обогревателя площадью 1 м² с сеткой из нержавеющей стали (покрытие 50 %) емкость между нагревательным элементом и сеткой составляет порядка 50–200 пФ. Емкостный ток утечки составляет 0,5–2 мкА при частоте 60 Гц, что значительно ниже обычных порогов срабатывания (1–5 мА). Ложные срабатывания через емкостную связь не являются проблемой. Однако сетка должна быть электрически изолирована от металлического сердечника. Любой прямой контакт приводит к постоянному замыканию на землю. Во время изготовления внутренний слой PFA не должен иметь пор, а сетка должна устанавливаться без прокалывания внутреннего слоя.

Успех обнаружения режима отказа
Режим отказа. Отказ внешнего PFA. Нарушение внутреннего PFA. Возможность обнаружения сетки. Преимущество во времени по сравнению с обычным GFCI.
Истирание (износ наружного слоя) Да Нет Да От месяцев до лет
Царапина от инструмента или мусора Да Нет Да От месяцев до лет
Химическое воздействие (ухудшение поверхности) Да (со временем) Нет (сначала) Да От недель до месяцев
Термическое растрескивание (циклическое движение) Да (распространение трещины наружу) Пока нет Да От недель до месяцев
Повреждение от удара (динь) Да (при внешнем повреждении) Нет Возможно, через несколько месяцев
Проникновение (молекулярная диффузия) Нет (целостность) Нет Нет (нет контакта с жидкостью) Нет (то же, что и по умолчанию)
Точечное отверстие в двух слоях (производственный дефект) Да Да Да (но сердцевина обнажена) Нет (старый GFCI срабатывает в то же время)
Трещина во внутреннем слое (внешний слой тонкий) Нет Да Нет (жидкость попадает в сердцевину, а не в сетку) Нет (обычный GFCI обнаруживает обнажение сердцевины)
Производительность и ограничения в полевых условиях
Полевые эксперименты с нагревателями из PFA, встроенными в сетку, в условиях абразивного раствора (силикатный песок, 2 м/с, 80 градусов) в течение 2 лет привели к тому, что во время испытаний у 12 из 50 нагревателей произошло нарушение внешнего слоя (подтвержденное снижением сопротивления изоляции между сеткой и землей). Внутренний слой PFA был интактным во всех 12 случаях. Сетчатый детектор сработал бы через 1-2 часа после нарушения внешнего слоя, но стандартный GFCI (который обнаруживает утечку из ядра) не сработал бы, потому что ядро ​​все еще было изолировано. Средняя оставшаяся толщина внутреннего PFA в состоянии тревоги составляла 1,1-1,4 мм (начало с 1,5 мм) - осталось много барьера. Без сетки эти нагреватели были бы активны до тех пор, пока не прорвется внутренний слой (примерно через 3-9 месяцев), после чего произойдет загрязнение ванны. Сетка предупреждала за 3–9 месяцев.

В химической сфере (30% HCl, 90 градусов) у пяти нагревателей произошло растрескивание внешнего слоя из-за термоциклирования. Сетка была способна обнаружить все пять через 1-2 цикла после появления трещины. Стандартный GFCI не сработал бы, пока трещина не распространилась на внутренний слой (через 20–50 циклов). Сетка снова дала хорошее раннее предупреждение. Как и ожидалось, с помощью сетки не было обнаружено нарушений проникновения (молекулярная диффузия кислоты через неповрежденную PFA). Для применений, где проницаемость является основной причиной отказа (например, концентрированная HF при высокой температуре), сетка дает мало преимуществ.

Установка и мониторинг
Сетка нуждается в собственном электрическом соединении – третьем проводе нагревательного кабеля (помимо линии, нейтрали и заземления жилы). Вы хотите, чтобы сетка была отделена от основной, чтобы не путать. Стандартной практикой является подключение сетки к монитору, а монитор к заземлению системы.

Сетка добавляет к стоимости утеплителя 15-30%.