Почему нагреватель из PFA со спиральным проволочным элементом более устойчив к тепловому удару, чем литой-в конструкции?

Термический удар, такой как быстрое погружение горячего нагревателя в холодную жидкость или быстрое включение и выключение питания, вызывает большие температурные градиенты в оболочке из PFA. Механическая податливость спирального элемента и рассеянное выделение тепла дают нагревателю спирального проволочного элемента (резистивная проволока, намотанная на оправку, герметизированная PFA) преимущество перед литым-конструкцией (металлический нагревательный элемент, отлитый непосредственно в блок PFA) в отношении теплового удара. Проволока намотана в бухту и может сгибаться и расширяться независимо от оболочки из PFA, поглощая дифференциальные нагрузки, связанные с расширением. Литой-содержащий элемент из твердого металла приклеен непосредственно к PFA. Металл и PFA имеют сильно различающиеся коэффициенты теплового расширения (КТР: металл 14-17 ppm/градус, PFA 110-120 ppm/градус). Жесткий контакт создает напряжение в одном месте при быстром изменении температуры. Происходит расслоение или растрескивание. Результаты полевых испытаний на термоциклирование показывают, что спиральные проволочные нагреватели выдерживают на 5–10 больше циклов термоудара, чем литые устройства эквивалентной мощности.

Как он сопротивляется тепловому удару?
В нагревателе со спиральной проволокой резистивная проволока не связана с PFA. Он встроен в керамический или металлический сердечник с покрытием PFA. Катушка может расширяться и сжиматься в радиальном и осевом направлении при изменении температуры. Проволока имеет КТР в 6 раз ниже, чем оболочка, поэтому оболочка из PFA расширяется больше, чем проволока, но витки проволоки несколько размыкаются (шаг увеличивается), чтобы компенсировать несоответствие. Контакт между проволокой и PFA испытывает очень небольшое напряжение сдвига, при этом PFA способен без ограничений изгибаться вокруг проволоки.

Литая-конструкция полностью заключает металлический нагревательный элемент (обычно прямой стержень или U-образную трубку) в PFA. Металл связан с PFA. При резком изменении температуры PFA расширяется в 6 раз быстрее, чем металл. Поскольку металл твердый и связный, PFA не может свободно расширяться-он натягивается вокруг металла. Растягивающее напряжение, возникающее при контакте металлического -PFA, может достигать 5–10 МПа при термическом ударе температурой 100 градусов. PFA имеет предел прочности на разрыв 12-15 МПа, а прочность сцепления с металлом 2-5 МПа. Он разделяет интерфейс, создавая зазор. Влага попадает в зазор, и сопровождающие его тепловые удары приводят к разрушению PFA.

Циклы термического удара: количественное сравнение
Тип нагревателя Конструкция Температурный удар (ΔT) Циклы до расслоения/растрескивания Спиральная проволока, 2 мм PFA Проволока, намотанная на керамический сердечник 100 градусов (от 150 до 50 градусов) 5 000–10 000 Постепенная усталость (проволока может порваться первой)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20 000 Минимальный урон
Прямой стержень, отлитый-из PFA, литой металлический стержень, 100 градусов, 500–2000Металл,-расслоение PFA на границе раздела
Литая-U-образная изогнутая металлическая трубка, отлитая из ПТФЭ под углом 100 градусов 200–1000 Внутренний радиус растрескивания при изгибе
Клеевой слой отлит-из металла + грунтовка + PFA 100 градусов 1000–3000 Нарушение адгезии (грунтовка отслаивается)
Спиральный провод, толстая оболочка (3 мм PFA) Толстый спиральный провод из PFA 100 градусов, 8000–15 000 А лучше тонкая оболочка
Слот расширения с металлическим сердечником Литой-металлический сердечник с зазором 100 градусов 2000–4000 Улучшено, но все же меньше, чем намотанное
Почему литые-конструкции выходят из строя при термическом ударе
Литая-конструкция уязвима из-за огромной площади соединения между металлом и PFA. Для металлического стержня длиной 1 м и диаметром 10 мм, отлитого из PFA, площадь склеенной поверхности составляет π x 10 x 1,000=31400 мм2. Полное несоответствие расширения на 100 градусов составляет ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 мм. PFA хочет выдвинуться на 11 мм больше, чем металл. Поскольку они связаны, PFA эластично растягивается и создает напряжение. Напряжение сдвига на границе раздела составляет τ=G × ΔL / t, где G — модуль сдвига, а t — толщина PFA. Для t=5 мм G≈200 МПа τ=200×11/5=440 МПа невозможно. В реальном случае PFA приводит к расслоению интерфейса. Напряжение концентрируется на концах металлического стержня (где несоответствие наибольшее), и трещины образуются и растут внутрь.

Нагреватели со спиральной проволокой не имеют такого огромного связного интерфейса. Проволока контактирует с ПФА только в локализованных точках (внешний диаметр витков). Общая площадь контакта минимальна (10-20% отлитой-площади. Контакты не заклеены (провод может соскользнуть). Движение проволоки, а не растяжение PFA, компенсирует несоответствие расширения.

Практические последствия выбора
Для применений, где циклическое изменение температуры происходит часто (ежедневный запуск/останов, периодические процессы или циклы термической очистки), следует использовать спиральный нагреватель из PFA. Литые-нагреватели подходят и, как правило, дешевле для стационарных-приложений (непрерывная работа, без циклических циклов).

Идеально подходит для: реакторов периодического действия, линий гальванопокрытия, которые отключаются ежедневно, циклов замораживания-оттаивания, термической очистки (погружение нагревателя в холодную жидкость), портативных обогревателей.

Литой-подходит для: непрерывной химической обработки, круглосуточного нагрева воды, резервных нагревателей, не-циклических применений.

Нагреватели со спиральной проволокой обычно на 20-40 % дороже, чем литые-из-за более сложной намотки и конструкции. Премиум оправдан увеличенным сроком службы при термоциклировании. Литой нагреватель, который ломается после 500 циклов (6 месяцев ежедневной езды на велосипеде), можно заменять 5 раз за 2,5 года; спиральный проволочный нагреватель может прослужить весь срок службы с одной заменой.

Полевые испытания
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 циклов). Дополнительные первоначальные затраты (30% премии) окупаются через 6 месяцев за счет сокращения затрат на замену и времени простоя.

Вывод: спиральная проволока в 5-10 раз более устойчива к термическому удару.
Нагреватель из PFA со спиральным проволочным элементом гораздо более устойчив к тепловому удару, чем литая-конструкция, поскольку спиральный провод может сгибаться и расширяться независимо от оболочки PFA, компенсируя дифференциальное тепловое расширение, не создавая существенных межфазных натяжений. Литая-конструкция приводит к жесткому соединению металлического элемента с PFA, что приводит к расслоению и разрушению при резких колебаниях температуры. Для применений, в которых происходят регулярные циклические изменения температуры (ежедневно или несколько циклов в день), используйте спиральную проволоку. Заливка-подходит и снижает затраты на непрерывную, устойчивую работу. Литые-нагреватели разрушаются от термического удара. Катушка провода выживает. А если не уверены, заверните. Это более долговечно.