Ako zmerať efektívnu tepelnú vodivosť ohrievača PFA potiahnutého tenkou vrstvou vysokoteplotného- silikónu?

Ohrievače PFA v agresívnom chemickom prostredí sú príležitostne pokryté tenkou vrstvou (0,2-1,0 mm) vysokoteplotnej silikónovej gumy na zvýšenie ochrany proti korózii alebo zamedzenie-zanášania. Silikónová vrstva zlepšuje tepelnú odolnosť a znižuje celkový prenos tepla. Na správne dimenzovanie ohrievača je potrebné určiť efektívnu tepelnú vodivosť keff kompozitného plášťa (PFA + silikón). Najpraktickejšou metodológiou je porovnávanie ustáleného stavu merania poklesu teploty cez potiahnutý plášť pri známom tepelnom toku [ . Pre typický povlak (0,5 mm silikón, k~0,25 W/mK) na PFA (2 mm, k~0,20 W/mK) je efektívna tepelná vodivosť o 0,21-0,22 W/mK – iba o 5 – 10 % nižšia ako samotná PFA, pretože silikónová vrstva je tenká. Ak však silikón absorbuje vodu alebo napučiava, k_eff môže byť len 0,15 až 0,18 W/m·K. Normálne in-situ meranie potiahnutých ohrievačov v prevádzke sa výhodne uskutočňuje pomocou povrchových termočlánkov.

Princíp merania
Efektívna tepelná vodivosť, k_eff, sa vypočíta pomocou Fourierovho zákona: k_eff=q × t_total / ΔT kde q je tepelný tok (W/m^2), t_total je celková hrúbka (PFA + silikón, m) a ΔT je zmena teploty naprieč kompozitnou vrstvou ( stupeň ). Pre ohrievač v ustálenom stave pri známom výkone q=P/A, kde P je elektrický výkon vo wattoch a A je plocha povrchu ohrievača v metroch štvorcových. Táto hodnota je korigovaná na účinnosť, ktorá je normálne medzi 0,90 a 0,95. ΔT sa monitoruje pomocou termočlánkov pripevnených na vonkajšom povrchu silikónu (T_outer) a zabudovaných do PFA-kovového kontaktu (T_inner) počas výroby. Prípadne je možné spätne{16}}vypočítať pomocou referenčného ohrievača so znalosťou .

Technika in situ bez zabudovania senzora:

Nainštalujte dva ohrievače rovnakého typu, jeden so silikónovým povlakom, jeden bez (referenčný ohrievač).

Spustite obe v rovnakej tekutine, rovnakom výkone a prietoku.

Zmerajte teplotu na vonkajšom povrchu oboch (T_coated, T_uncoated).

Vypočítajte teplotu vnútorného povrchu PFA pre nepotiahnutý ohrievač: T_vnútorný_nepotiahnutý=T_nepotiahnutý + q × (t_PFA/k_PFA).

Predpokladajme, že T_inner je identický pre potiahnutý ohrievač (rovnaká teplota jadra).

Potom ΔT_coated=T_inner – T_coated. k_eff=q × (t_PFA + t_silikón) / ΔT_potiahnutý.

Potrebné vybavenie
Špecifikácia funkčného komponentu
Termočlánok, typ K, jemný drôt (0,25 mm), presnosť +0.5 stupňov Meranie teploty na povrchu
Tepelná pasta Vysoká vodivosť bez silikónu (napr. nitrid bóru) Zabezpečuje vynikajúci kontakt termočlánkov.
Merač výkonu s presnosťou ±1% Meranie elektrického výkonu
Posuvné meradlá ±0,01 mm Meranie hrúbky povlaku
IR kamera (voliteľná) ±2 stupne alebo lepšie Overte stálu teplotu povrchu
Záznamník údajov Viackanálový{0}}, vzorkovacia frekvencia 1 Hz Záznam teploty
Typické konfigurácie Výsledky merania
Hrúbka PFA (mm) Hrúbka silikónu (mm) Typ silikónu k_PFA (W/m·K) k_silikón (W/m·K)Vypočítané keff (W/mK)Namerané keff (W/m.K) (ustálený stav) Chyba (%) 2.0 0 N/A 0,20 0,20 N/A % 2.0 0.3 Na všeobecné použitie (RTV) 0.20 0.22 0.202 0.205 1.5% 2.0 0.5 Na všeobecné použitie 0.20 0.22 0.205 0.208 1.5% 2.0 1.0 Na všeobecné použitie 0.20 0.22 0.209 0.215 2.9% 2.0 0.5 Tepelne vodivé (plnené) 0.20 0.60 0.228 0.230 0.9% 1.5 0.5 Na všeobecné použitie 0.20 0.22 0.207 0.210 1.4% 2.0 0.5 Nabobtnaný silikón {2} Napučaný silikón{0 % Ag{0 (200 stupňov, 1 000 h) 0.20 0.18 0.197 0.195 1.0 %
Analýza: Pozorovaná k-eff je v dobrej zhode s predpovedaným modelom sériového odporu: 1/k-eff=(t_PFA/k_PFA + t_silikón/k_silikón) / t_total. Pre 2,0 mm PFA + 0.5 mm silikón (všeobecné použitie) 1/k eff=(0,002/0.20 + 0.0005/0,22)/0.0025=(0.01 + 0.00227)/0.0025=0.01227/0.0025=4.91 Teda k eff=0.204 % W/m je chyba merania, K.

Measurement Protocol-Krok za krokom
Laboratórne meranie:

Pripraví sa skúšobná vzorka; plochá doska alebo ohrievač so zabudovaným termočlánkom v PFA-kovovom kontakte.

potiahnite silikónom kontrolovanej hrúbky

Vzorku umiestnite do prístroja na chránenú horúcu platňu (ASTM E1530) alebo do kúpeľa s regulovanou teplotou- so známym tepelným tokom.

Známy tepelný tok (10 000 – 50 000 W/m 2 )

Zmerajte teploty v ustálenom stave (vonkajší povrch a vnútorný povrch).

Vypočítajte k_eff podľa Fourierovho zákona.

Pre-meranie v prevádzke (v teréne, bez vstavaného{1}}senzoru):

Ustálený stav (zmena tepl<0.5 °C in 30 min).

Zmerajte teplotu vonkajšieho povrchu potiahnutého ohrievača na 3-5 miestach (termočlánky s tepelnou pastou a páskou).

Zmerajte rýchlosť prúdenia a teplotu tekutiny.

Vypočítajte tepelný tok z elektrického príkonu (miera V, I, účinník)

Na odhad teploty vnútorného povrchu možno použiť údaje o teplote jadra vs. hustota vo wattoch od výrobcu alebo referenčný ohrievač bez povlaku.

Vypočítajte k_eff s odhadom ΔT.

Praktické aspekty silikónových náterov
Silikón má tepelnú vodivosť-závislú od teploty, ktorá sa starnutím zhoršuje. Pri 200 stupňoch sa k_silicone môže znížiť o 20 až 30 % po 1 000 hodinách v dôsledku zosieťovania- a poškodenia plniva. Absorpcia vody (0,5–2 % hmotnosti) znižuje k_silikón z 0,22 na 0,12–0,15 W/m·K. Merajte k_eff štvrťročne pre ohrievače vo vlhkom alebo kondenzačnom prostredí.

Ak je nameraná hodnota $k_{eff}$ o 15 % alebo viac nižšia ako zamýšľaná hodnota, zvážte:

- Odstránenie silikónového krytu (odlupovanie alebo odstránenie rozpúšťadla), ak to nie je potrebné.

Ohrievač nahradený tepelne vodivým silikónom (naplnený Al_2O_3 alebo BN, k cca 0,6-1,0 W/m·K).

Zväčšite povrch ohrievača, aby ste kompenzovali nižší prenos tepla.

Príklad poľa
Chemická továreň pokryla ohrievače PFA s 0,7 mm RTV silikónom proti-zanášaniu v roztoku polyméru. Zariadenie meralo k_eff metódou referenčného ohrievača a získalo 0,17 W/m·K oproti očakávanej hodnote 0,20 W/m·K (o 15 % nižšia). Nižšie k viedlo k tomu, že ohrievače boli o 8-10 stupňov teplejšie pri rovnakom výkone, čo viedlo k rýchlejšiemu zanášaniu polyméru. Zariadenie prešlo na tepelne vodivý silikón (k ~ 0,65 W/mK) a meralo k_eff=0.235 W/mK – o niečo lepšie ako samotné PFA. Minimalizovalo sa znečistenie a životnosť ohrievača sa zdvojnásobila.

Záver: Merané k_eff v rámci ±3 % modelu série pre tenké silikónové povlaky
Efektívna tepelná vodivosť ohrievača PFA pokrytého tenkou vrstvou (0,2 – 1,0 mm) vysokoteplotného silikónu- sa dá presne určiť porovnávacími metódami v ustálenom stave- s použitím povrchových termočlánkov a referenčného ohrievača. Pre všeobecný-silikón (k=0.22 W/m·K) a štandardné PFA (k ≈ 0,20 W/m·K) je k_eff v rámci 5 % k_PFA pre nátery<0.5 mm. Thicker coatings or aged/swollen silicone could decrease k_eff by 10–30% and the design has to be modified consequently. Degradation detected with regular in-situ measurement and maintenance (quarterly or annual). A few thermocouples and an hour of measuring time can avoid undersized heaters or unanticipated fouling. Measure k_eff, obtain the actual thermal resistance, design with confidence. The coating might aid chemistry but hurt heat transfer. Assess the pain. Then choose.