Каков безопасный максимальный градиент мощности (Вт/см² в секунду) для обогревателя из PFA, позволяющий избежать образования внутренних пузырей пара?

Быстрое включение нагревателя из ПФА из холодного состояния приводит к существенному нагреву металлического сердечника по сравнению с окружающей оболочкой из ПФА. Если на контакте PFA-металла имеется остаточная влага (обычно 5-50 мг от производственной или поглощенной влаги), влага перегревается до пара, прежде чем PFA нагреется достаточно, чтобы обеспечить диффузию. Высокое давление пара (10–100 бар) локально отрывает PFA от активной зоны и образует блистер. После образования волдырь, -наполненный паром, действует как теплоизолятор, в результате чего область нагревается сильнее, а волдырь расширяется. Важным параметром для контроля образования пузырей является не плотность ватт в установившемся состоянии, а градиент мощности: насколько быстро растет плотность ватт (Вт/см2/сек). Для типичного обогревателя PFA без дополнительной защиты от влаги безопасный максимальный градиент мощности составляет от 0,5 до 1,0 Вт/см2 в секунду. Даже при постоянной-плотности ватт в устойчивом состоянии, намного ниже номинальной мощности PFA, плотность ватт, превышающей 2–3 Вт/см² в секунду, вызовет перегорание в течение 10–50 циклов запуска.

Механизм образования паровых пузырей и повышение температуры
Металлический интерфейс PFA- любого нагревателя содержит остаточную влагу из трех источников: (1) вода, поглощенная из влажного воздуха во время хранения (PFA проницаем для водяного пара), (2) конденсат во время циклов охлаждения- и (3) производственные остатки. «Сухой» нагреватель обычно содержит 5–20 мг воды вдоль границы раздела на длине 1 м. При холодном пуске и на полной мощности температура металлического сердечника повышается со скоростью, определяемой выражением dT/dt=(P×η)/(m×c_p), где P — мощность (Вт), η — КПД (≈0,95), m — масса сердечника (≈2–4 кг для нагревателя мощностью 6 кВт), c_p — удельная теплоемкость инколоя (≈450 Дж/кг·К). Для нагревателя мощностью 6 кВт с сердечником массой 3 килограмма dT/dt=(6000 х 0,95) / (3 х 450)=5,700 / 1,350=4.2 град/сек. Ядро достигает температуры 100°C за (100-20)/4.2=19 секунд. Наружная поверхность ПФА, контактирующая с холодной жидкостью, прогревается значительно медленнее. Внутренняя поверхность PFA (рядом с сердцевиной) составляет примерно 100 градусов в момент t=19 секунд, однако внешняя поверхность может составлять только 30-40 градусов. Температура по всей стене в момент t=19 секунд составляет 60-70 градусов.

Вода при контакте кипит при 100 градусах. Этот быстрый фазовый переход от жидкости к пару приводит к увеличению объема в 1600 раз. Межфазный зазор (0,1-1,0 мкм) слишком мал, чтобы выдержать такое расширение, и давление возрастает до 10–100 бар. локально PFA поддается и образуется волдырь - расслаивающееся отделение обычно диаметром 2-10 мм. Блистер заполнен паром с теплопроводностью ~0,02 Вт/м·К (в 10 раз ниже, чем у PFA). Область волдыря представляет собой горячий участок с локальным повышением температуры 20–50 градусов. Каждый раз, когда это происходит, волдырь становится больше и втягивает влагу из окружающей области. Взрыв может лопнуть за 10–100 циклов и подвергнуть металлический сердечник воздействию технологической жидкости, что приведет к внезапному замыканию на землю.

Пределы градиентов мощности в зависимости от состояния нагревателя
Содержание влаги в нагревателе Условия влажности Интерфейс (мг/м длины)Максимальное значение dq/dt (Вт/см2.с) безопасное Максимальное устойчивое -состояние q (Вт/см2) Время выхода на полную мощность (для нагревателя 4 Вт/см2) Рекомендуемое управление запуском
Сушка в вакууме или продувка азотом 1 мг от 5–100,4 до 0,8 с. До 5Хорошее начало
Прямо с завода (сухое хранение)5-10 мг 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 сек. Плавный пуск (линейное изменение 3-5 сек.)
Стандартно применяется во влажном климате10–25 мг 1,0–1.5 3–4 2.7–4,0 секунды Плавное регулирование (5–10 секунд)
Aged (>2 года эксплуатации во влажной среде) 25–50 мг 0.5-1.0 2-3 4-8 с Медленное изменение (10–20 с)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 мг 0,2–0.4 1–2 10–20 с высыхает перед использованием, очень медленное начало
Нагреватель с предыдущими волдырями (видимыми или ощущаемыми) Переменная Н/Д/Н/Д Замените нагреватель; невозможно восстановить
Проверка в полевых условиях и практические вычисления
Чтобы определить градиент мощности существующей установки: Измерьте время от включения нагревателя (на выходе контроллера) до момента достижения нагревателем установившейся мощности. Для простого резистивного нагревателя, управляемого включением/выключением, полная мощность обеспечивается немедленно-градиент практически безграничен в течение первой миллисекунды. Это рискованно. градиент=(конечная плотность мощности)/(длительность линейного изменения) для управления фазовым-угловым тиристором с плавным запуском. Пример: Нагреватель мощностью 6 кВт с площадью поверхности 0,1 м2 (qfinal=6 Вт/см2) и периодом линейного изменения 10 секунд производит dq/dt=6 / 10=0.6 Вт/см2 в секунду - безопасно. dq/dt=3 Вт/см² в секунду, время линейного изменения 2 секунды - опасно для большинства обогревателей.

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 >От 1000 МОм до 100-500 МОм при потеплении означает миграцию влаги и потенциальное образование пузырей. (2) Проведите пальцами по поверхности PFA при выключенном нагревателе и остудите. Пузыри ощущаются как небольшие комочки (диаметром 1-5 мм, слегка приподнятые). (3) Во время запуска можно использовать инфракрасную камеру для обнаружения областей волдырей в виде локализованных горячих точек (5–20°С выше окружающей оболочки) в течение 30–60 секунд после подачи питания. При обнаружении вздутия ТЭН следует заменить.

Стратегия контроля для предотвращения
Лучший способ избежать образования пара — использовать плавный-пуск или плавный запуск. Для обычных нагревателей программируемая рампа, которая постепенно увеличивает мощность от 0% до 100% в течение 10–30 секунд, ограничивает dq/dt до 0,2–0,7 Вт/см^2/сек. Время изменения скорости следует определять в зависимости от массы нагревателя и ожидаемого состояния влажности. Консервативная отправная точка: время линейного изменения (с) равно плотности мощности в установившемся режиме (Вт/см^2). Изменение температуры 4-8 секунд для нагрева 4 Вт/см2. Для обогревателя, который, как известно, имеет высокую влажность (длительный период простоя во влажной зоне), используйте от 15 до 30 секунд. Плавный-пуск можно выполнить с помощью базового реле-задержки времени и полупроводникового-реле (недорого, 50–150 долларов США) или с помощью программируемого ПИД-регулятора с возможностью плавного изменения температуры (Watlow, Omron, Eurotherm и т. д.). Рампа должна использоваться при каждом пуске, а не только после перебоев в подаче электроэнергии. Для обогревателей, которые часто включаются в цикл (много раз в день), достаточно короткого изменения температуры (5–10 секунд), поскольку влага не имеет возможности сильно накапливаться между циклами.

Для новых спецификаций нагревателя инженеры должны запросить процедуру удаления влаги, при которой нагреватель нагревается до 120 градусов в вакууме или потоке сухого азота в течение 24 часов, чтобы удалить влагу из интерфейса перед поставкой. Производитель гарантирует остаточную влажность < 1мг. Такие нагреватели могут выдерживать нагрузку dq/dt до 5 Вт/см2/сек. Разница в цене минимальна (надбавка 10-20%). Для важных применений, где плавный пуск недоступен, выберите «сухой нагреватель с засыпкой азотом» и запросите сертификацию.

Вывод: стандартные нагреватели ограничивают dq/dt значением менее или равным 1 Вт/см2/сек.
Для обычного нагревателя PFA безопасный максимальный градиент мощности, позволяющий избежать образования внутренних паровых пузырей, составляет 0,5-1,0 Вт/см^2/сек, что эквивалентно времени линейного изменения 4-10 секунд до полной мощности для нагревателя мощностью 4 Вт/см^2. Более высокие градиенты перегревают оставшуюся влагу на контакте с металлом PFA-, образуя паровые пузыри, которые расширяются при каждом термическом цикле и, наконец, лопаются, что приводит к замыканию на землю. Предотвратить это просто и недорого, используя контроллеры плавного-пуска или программируемые функции линейного изменения. Безопасные градиенты увеличиваются до 5-10 Вт/см2/сек для нагревателей с установленным низким содержанием влаги (1 мг при вакуумной сушке). Если такая документация недоступна, примите влажность 10–25 мг и используйте период линейного изменения не менее 5 секунд для нагревателей мощностью до 4 Вт/см 2 . Небольшие потери времени незначительны по сравнению со стоимостью замены нагревателя и простоем процесса из-за неисправности, связанной с вздутием. Инженеры должны определить максимальное значение dq/dt или минимальное время линейного изменения в спецификации на покупку обогревателя. Нагреватель, вздувшийся при запуске, не является дефектным из-за материала — он является жертвой чрезмерного градиента мощности относительно его влажности. Контролируйте градиент, контролируйте волдыри.