Kako frekvencija modulacije snage (pulsna-širinska modulacija na 1 Hz u odnosu na . 100 Hz) za grijač od titanskog omotača mijenja termomehanički vijek trajanja otporne žice i cijevi?

U električnim grijačima od titanovog omotača temperatura se obično kontrolira putem modulacije širine pulsa (PWM) snage. Frekvencija PWM signala utječe na brzinu ciklusa uključivanja/isključivanja grijača. Pri niskoj frekvenciji (1 Hz) svaki ciklus izaziva veliku temperaturnu varijaciju od 10-30 stupnjeva u otpornoj žici i titanskom omotaču. Na visokoj frekvenciji (100 Hz) toplinska masa grijača izglađuje impulse tako da su temperaturne varijacije samo 1-5 stupnjeva. Takve temperaturne varijacije induciraju ciklička toplinska naprezanja u žici s unutarnjim otporom, koja je općenito od legure nikla i kroma, i u omotaču od titana. Smanjenje amplitude naprezanja u svakom ciklusu na 100 Hz (nasuprot 1 Hz) povećava termomehanički vijek trajanja za faktor 5-10.

Termomehanički mehanizam zamora izazvan modulacijom snage

Kad je uključen, otporna žica se zagrijava i rasteže. Ovo širenje uzrokuje naprezanje okolnog izolatora od magnezijevog oksida i titanovog omotača. U svakom ciklusu isključenja dolazi do hlađenja i kontrakcije. Amplituda naprezanja, ($\\Delta\\sigma$) povezana je s temperaturnim zamahom, ($\\Delta$T) puta koeficijent toplinskog širenja. Za NiCr žicu=14 x 10-6 / stupanj. Za titan=8.6 x 10-6 / stupanj. Pri modulaciji od 1 Hz s fluktuacijom temperature od 30 stupnjeva, cikličko naprezanje NiCr žice je ~0,04%, dovoljno za induciranje niskog ciklusa zamora tijekom milijuna ciklusa. Uz njihanje od 5 stupnjeva pri modulaciji od 100 Hz, deformacija je samo 0,007%, što je ispod granice zamora za oba materijala i daje gotovo neograničen vijek trajanja.

Ovisnost PWM frekvencije kvantitativnog vijeka trajanja od zamora

Životni vijek grijača od titanovog omotača stupnja 2 s otpornim žicama od NiCr, pri gustoći snage od 15 W/cm 2 na različitim frekvencijama PWM, dat je u nastavku na temelju kontroliranih ispitivanja. Pri neprekidnom radu (bez modulacije, osnovna linija), životni vijek otporne žice prelazi 100 000 sati, bez toplinskog trošenja titanskog omotača. Životni vijek otporne žice je 2000-5000 sati s 0,1 Hz PWM (1 ciklus svakih 10 sekundi) i zamahom od 40 stupnjeva; omotač od titana stvara pukotine nakon 10.000-20.000 ciklusa. Životni vijek otporne žice pri 1 Hz PWM s zamahom od 30 stupnjeva je 5 000 – 15 000 sati, a titanski omotač puca nakon 20 000 – 50 000 ciklusa. 20, 000 – 50 000 sati vijek trajanja otporne žice pri 10 Hz PWM s zamahom od 15 stupnjeva. Nema pukotina u titanskom omotaču unutar 100 000 ciklusa. Životni vijek otporne žice pri 100 Hz PWM s ljuljanjem od 5 stupnjeva je > 100 000 sati i nema toplinskog naprezanja u titanskom omotaču. Na 1000 Hz PWM, temperaturna varijacija je manja od 2 stupnja, a performanse su iste kao pri kontinuiranom radu.

PWM osjetljivost na gustoću snage i učinak geometrije grijača

Utjecaj PWM frekvencije ovisi o toplinskoj masi i gustoći snage grijača. Pri niskoj gustoći snage od 5 W/cm², temperaturne fluktuacije su manje za bilo koju frekvenciju, stoga će PWM signal od 1 Hz fluktuirati samo 10 stupnjeva, a vijek trajanja žice bit će 20 000–50 000 sati. Pri visokoj gustoći snage (25 W/cm2) PWM signal od 1 Hz rezultira zamahom od 50 stupnjeva, a vijek trajanja žice smanjen je na 1000-3000 sati. Toplinska masa cijevi tankog zida (0,9 mm) je manja, a temperaturne varijacije su veće. Za cijev debelog zida (2,0 mm) toplinska masa je veća, a kolebanja temperature su smanjena za 30-50 %. Za dugi grijač (2 m) toplinska masa također prigušuje temperaturne varijacije na krajevima.

Vodič za odabir frekvencije PWM grijača od titanskog omotača - -

Sljedeća tablica prikazuje prijedloge za PWM frekvenciju na temelju gustoće snage, očekivanog vijeka trajanja grijača i potrebe za kontrolom temperature.

Gustoća snage (W/cm²) Ciljani životni vijek grijača (sati) Točnost kontrole temperature (± stupanj) Preporučena PWM frekvencija (Hz) Očekivana promjena temperature (stupanj)<10 >50,000 2 1 10–15 <10 >50,000 0.5 100 2–5 10–20 >50,000 2 10 8–12 10–20 >50,000 0.5 1,000 1–3 20–30 >20,000 2 100 3–6 20–30 >50,000 1 1,000 1–2 >30 >10 000 Bilo koji 1,000+<2 Beyond PWM Frequency Selection Engineering

Klasa titana ne utječe na otpornost otporne žice na toplinski zamor, dok titan Grade 7 ima slično toplinsko širenje kao Grade 2. Materijal otporne žice ima veliki učinak na vijek trajanja otporne žice. Žica NiCr 80/20 ima veću otpornost na toplinski zamor od žice FeCrAl. Važna je kvaliteta izolacije od magnezijevog oksida, kao i to da dobro zbijeni MgO bolje prenosi toplinu, smanjujući temperaturnu razliku između žice i plašta. Daljnje smanjenje toplinskog stresa može se postići mekom-regulacijom snage pokretanja (postupno povećanje snage umjesto potpunih impulsa uključivanja-isključivanja). Gdje je u primjeni potrebna točna kontrola temperature, uvijek je poželjna viša PWM frekvencija (100 do 1000 Hz).

Formuliranje dobro{0}}informirane specifikacije

Power modulation of a titanium sheath heater with a PWM frequency of 100 Hz or higher is recommended to reduce thermomechanical fatigue. For high power density applications (>20 W/cm2), upotrijebite PWM od 1000 Hz ili regulator faznog kuta (glatka kontrola snage) umjesto on-off modulacije. Za postojeće niskofrekventne (1 Hz) grijače ili ugradite induktor za izglađivanje ili promijenite regulator na visokofrekventni PWM. Ako je preciznost kontrole temperature od ±2 stupnja prikladna za većinu primjena, tada će frekvencija od 10 Hz ponuditi dovoljan vijek trajanja od toplinskog zamora. Inženjer radi na 100 Hz PWM umjesto 1 Hz, tako da se temperaturni zamah smanjuje s 30 stupnjeva na 5 stupnjeva, što povećava vijek trajanja otporne žice i titanskog omotača za 5-10 puta.