Prečo je ohrievač PFA s vinutým drôteným prvkom odolnejší voči tepelným šokom ako odliatok-v dizajne?

Tepelný šok, ako je rýchle ponorenie horúceho ohrievača do studenej kvapaliny alebo rýchle cyklovanie napájania, spôsobuje veľké teplotné gradienty v plášti PFA. Mechanická poddajnosť stočeného prvku a generovanie rozptýleného tepla dáva vyhrievaciemu prvku stočeného drôtu (odporový drôt navinutý okolo tŕňa, zapuzdrený v PFA) výhodu oproti liatej-konštrukcii (kovové vykurovacie teleso zaliate priamo do bloku PFA) pri tepelnom šoku. Drôt je navinutý v cievke a môže sa ohýbať a rozširovať nezávisle od plášťa PFA, aby absorboval rôzne expanzné zaťaženia. Odliatok má tvrdý kovový prvok prilepený priamo k PFA. Kov a PFA majú veľmi odlišné koeficienty tepelnej rozťažnosti (CTE: kov 14-17 ppm/stupeň, PFA 110-120 ppm/stupeň). Pevný kontakt vytvára napätie na jednom mieste pri rýchlych zmenách teploty. Dochádza k delaminácii alebo praskaniu. Výsledky testov tepelného cyklovania v teréne ukazujú, že ohrievače so stočeným drôtom vydržia o 5 až 10 cyklov tepelného šoku viac ako zaliate zariadenia s rovnakým výkonom.

Ako odoláva tepelným šokom?
V ohrievači stočeného drôtu nie je odporový drôt viazaný na PFA. Je vsadený do keramického alebo kovového jadra, ktoré je potiahnuté PFA. Cievka sa môže voľne rozširovať a sťahovať radiálne a axiálne pri zmenách teploty. Drôt má CTE 6x nižší ako plášť, preto sa plášť PFA rozťahuje viac ako vodič, ale cievky vodiča sa trochu otvárajú (rozstup sa zväčšuje), aby sa vyrovnal nesúlad. Kontakt medzi drôtom a PFA sa stretáva s veľmi malým šmykovým napätím, pričom PFA sa môže ohýbať okolo drôtu bez obmedzenia.

Odliaty{0}}v dizajne úplne zapuzdrí kovový vykurovací článok (zvyčajne rovnú tyč alebo rúrku v tvare U) v PFA. Kov je viazaný na PFA. V prípade rýchlej zmeny teploty expanduje PFA 6× rýchlejšie ako kov. Pretože kov je tvrdý a spojený, PFA sa nemôže voľne rozťahovať-je natiahnutý okolo kovu. Ťahové napätie, ktoré vzniká pri kontakte kovového{8}}PFA, môže byť až 5 – 10 MPa pri tepelnom šoku 100 stupňov . PFA má pevnosť v ťahu 12-15 MPa, ale pevnosť väzby na kov 2-5 MPa. Oddeľuje rozhranie a vytvára medzeru. Do medzery sa dostane vlhkosť a sprievodné tepelné šoky spôsobia rozbitie PFA.

Cykly tepelných šokov: Kvantitatívne porovnanie
Typ ohrievača Konštrukcia Teplotný šok (ΔT) Cykly do režimu zlyhania delaminácie/prasknutia Vinutý drôt, 2 mm PFA Drôt navinutý cez keramické jadro 100 stupňov (150 stupňov až 50 stupňov) 5 000 – 10 000 Postupná únava (drôt môže prasknúť ako prvý)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >Minimálna škoda 20 000
Rovná tyč, liata-v PFA liata kovová tyč 100 stupňov 500 – 2000 Metal-Delaminácia PFA na rozhraní
Zaliata-ohýbaná kovová rúrka v tvare U{1}} odliata z PTFE 100 stupňov 200 – 1 000 Vnútorný polomer ohybu praskanie
Lepiaca vrstva zaliata-kov + základný náter + PFA 100 stupňov 1 000 – 3 000 Porucha lepidla (odlupuje sa základný náter)
Vinutý drôt, hrubý plášť (3 mm PFA) Hrubý vinutý drôt PFA 100 stupňov 8 000–15 000 A lepší tenký plášť
Rozširujúci slot s kovovým jadrom Zaliaty-Kovové jadro s medzerou 100 stupňov 2 000 – 4 000 Vylepšené, ale stále menšie ako stočené
Prečo pri tepelnom šoku-zlyhajú návrhy
Odliatok-v dizajne je náchylný na veľkú oblasť spojenia medzi kovom a PFA. Pre kovovú tyč s dĺžkou 1 m a priemerom 10 mm odliatú z PFA je plocha lepeného povrchu π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Celý nesúlad pri expanzii o 100 stupňov je ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. PFA chce predĺžiť o 11 mm viac ako kov. Pretože sú prepojené, PFA sa elasticky napína a vytvára napätie. Šmykové napätie na rozhraní je τ=G × ΔL / t, kde G je šmykový modul a t je hrúbka PFA. Pre t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa nemožné. V skutočnom prípade PFA vedie k delaminácii na rozhraní. Napätie sa sústreďuje na koncoch kovovej tyče (kde je nesúlad najväčší) a vytvárajú sa trhliny a rastú dovnútra.

Ohrievače vinutého drôtu nemajú také obrovské spojené rozhranie. Drôt sa dotýka PFA iba v lokalizovaných bodoch (vonkajší priemer cievok). Celková kontaktná plocha je minimálna (10-20 % obsadenej- plochy). Kontakty sú nespojené (drôt môže skĺznuť). Pohyb drôtu, nie natiahnutie PFA, sa prispôsobuje nesúladu expanzie.

Praktické dôsledky pre výber
Pre aplikácie, kde je časté tepelné cyklovanie (denné spustenie/zastavenie, dávkové procesy alebo cykly čistenia tepelným šokom), by sa mal špecifikovať ohrievač PFA so stočeným drôtom. Liate-ohrievače sú vhodné a zvyčajne menej nákladné pre aplikácie v ustálenom stave- (nepretržitá prevádzka, žiadne cykly).

Ideálne pre: dávkové reaktory, pokovovacie linky, ktoré sa denne vypínajú, cykly zmrazovania-rozmrazovania, čistenie tepelným šokom (namáčanie ohrievača do studenej kvapaliny), prenosné ohrievače.

Odlievané-vhodné pre: Nepretržité chemické spracovanie, 24/7 ohrev vody, záložné ohrievače, -cyklické aplikácie.

Ohrievače vinutého drôtu sú zvyčajne o 20{1}}40 % drahšie ako zaliate-v dôsledku zložitejšieho vinutia a konštrukcie. Premium je odôvodnené predĺženou životnosťou pri tepelnom cyklovaní. Zaliaty ohrievač, ktorý sa po 500 cykloch (6 mesiacov denného cyklovania) pokazí, možno vymeniť 5x za 2,5 roka; ohrievač stočeného drôtu môže vydržať celú dobu s jednou výmenou.

Test v teréne
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 cyklov). Dodatočné počiatočné náklady (30 % prémia) splatené za 6 mesiacov vďaka nižšej práci a prestojom.

Záver: Vinutý drôt je 5-10 krát odolnejší voči tepelným šokom
Ohrievač PFA s vinutým drôteným prvkom je oveľa odolnejší voči tepelným šokom ako liate{0}}v dizajne, pretože stočený drôt sa môže ohýbať a rozširovať nezávisle od plášťa PFA, aby sa prispôsobil rozdielnej tepelnej rozťažnosti bez vytvárania podstatného medzipovrchového napätia. Odliatok-v dizajne spôsobuje, že kovový prvok je pevne spojený s PFA, čo vedie k delaminácii a rozbitiu pri rýchlych teplotných výkyvoch. Pre aplikácie s pravidelnými teplotnými cyklami (denne alebo s viacerými cyklami za deň) špecifikujte vinutý drôt. Odovzdávanie-je v poriadku a znižuje náklady na nepretržitú prevádzku v ustálenom stave. Odlievané-ohrievače zabíjajú tepelné šoky. Cievka drôtu prežije. A ak si nie ste istí, zabaľte to. Je to odolnejšie.