Kako predvidjeti povećanje struje curenja struje dok PFA omotač stari u vlažnim kiselim parama na 130 stupnjeva?

Otpor električne izolacije plašta se smanjuje sa starenjem PFA grijača u vlažnoj kiseloj pari (HCl, H2SO4, HNO3 ili miješane kiseline na 130 stupnjeva), a struja curenja raste. Porast je ubrzan poput Arrheniusove-jednadžbe, struja curenja udvostručuje se svakih 1000-2000 sati ovisno o vrsti kiseline i koncentraciji. Struja curenja novog PFA grijača na 130 stupnjeva u suhom zraku je < 0,01 mA. Nakon 2000 sati u mokroj HCl pari (koncentracija 30%, 130 stupnjeva) struja curenja može porasti na 0,1–0,5 mA. Nakon 5000 sati, može ići do 1-5 mA, dostižući uobičajene GFCI razine okidanja (5-30 mA). Ako možete predvidjeti porast, možete ga zamijeniti prije nego što izazove neugodno spoticanje ili kontaminaciju. Model predviđanja uzima u obzir brzinu prodiranja, vodljivost kiseline i vrijeme potrebno za stvaranje vodljive prevlake na granici PFA-metal.

Mehanizmi struje curenja starenja PFA
Leakage currents travel from the metal heating element (120–480 VAC) to ground over two parallel paths: (1) through the PFA bulk (volume resistivity, ∼10¹⁶ Ω·cm for new PFA) and (2) along the PFA-metal contact (surface conductivity, modified by moisture and corrosion products). New PFA, volume resistivity >10^15 ohm-cm, struja curenja<0.001 micro-A-negligible. As the heater ages acid vapours infiltrate through the PFA wall (see Article #35 for HCl permeation rates. Acid will condense at the PFA–metal interface (if the interface temperature is below the dew point of the acid). The condensed acid provides a thin layer of electrolyte of conductivity based on acid concentration and temperature. The metal core corrodes slowly, and the metal ions that are produced increase the conductivity of the electrolyte. The leakage current is I=V/R where R decreases with increasing the conductive film.

Brzina porasta struje curenja određena je brzinom prodiranja kiseline koja je regulirana Fickovim zakonom. Stopa prodiranja HCl kroz 2 mm PFA na 130 stupnjeva je 0,5–1,5 g/m²·dan. Ukupna prodrla kiselina tijekom 5000 sati (208 dana)=0.5–1,5 × 0,5 m2 (prosječna površina grijača) × 208=52–156 kilograma HCl-a koji je stigao do sučelja-dovoljno za stvaranje vodljive prevlake.

Model predviđanja struje curenja
Empirijski podaci iz ispitivanja ubrzanog starenja (130 stupnjeva / mokra kisela para/ 2 mm PFA zid) dovode do sljedeće jednadžbe predviđanja I(t)=I početno * exp(t/τ) gdje τ (vremenska konstanta udvostručenja struje curenja) varira ovisno o vrsti kiseline:

Suhi zrak (kontrola): τ > 100 000 h (bez značajnog povećanja)

Mokri HCl (10–30 %) τ=1, 500–2500 sati.

Mokri H2SO4 (50-70%) τ=800-1500 sati

Mokri HNO3 (30-50%): τ=2,000-3000 h

Mokra miješana kiselina (npr. aqua regia): τ=500-1000 hr

HF mokro (10–50%) τ=1,000–2000 h

t=2,000 sati za PFA grijač u 30% HCl parama na 130 C. Struja curenja pri t=0 je 0,01 mA. U t=2,000 h I=0.01 × e 1=0.027 mA. U t=4,000 sati, I=0.01 exp(2)=0.074 mA. U t=6000 sati, I=0.01×exp(3)=0.20 mA. I=0.01 × exp(5)=1.48 mA pri t=10,000 sati. To je još uvijek ispod uobičajenih ograničenja okidanja od 5-30 mA, što ukazuje da GFCI okidanje zbog curenja sučelja vjerojatno neće biti prvi način kvara. Umjesto toga, u početku dolazi do korozije jezgre ili pečenja (vidi članak #65). Struja curenja je relevantan prediktor samo ako je veća od 0,5-1,0 mA, što ukazuje na značajnu degradaciju sučelja.

Praktično predviđanje i praćenje
Za mokru kiselu paru, odredite osnovnu struju curenja za grijače nakon 100 sati rada (za stabilizaciju početne apsorpcije vlage). Testirajte s GFCI testerom ili megohmetrom u načinu rada struje curenja. Zabilježite njegovu vrijednost (obično 0,01 do 0,10 mA). Tromjesečni pokazatelj. Iscrtajte na polu-log papiru. Postavite eksponencijalnu krivulju kako biste predvidjeli kada će curenje dosegnuti 5 mA (ili razinu alarma za vaš objekt). Odaberite τ iz gornje tablice za određenu kiselinu. Ako je izmjereno predviđeno (brzi porast) provjerite je li grijač oštećen.

Stoga za grijač s izmjerenom strujom curenja od 0,2 mA u 4000 sati (predviđeno 0,074 mA) stvarni τ=4,000 / ln(0,2/0,01)=4,000 / ln(20)=4,000 / 3.0=1,333 sata-brži nego što je predviđeno. Ovaj grijač treba preventivno zamijeniti u sljedećih 2000 sati.

Ublažavanje za smanjenje povećanja struje curenja
Za usporavanje porasta struje curenja:

Stopa propusnosti može se smanjiti za 40-60 % upotrebom deblje PFA stijenke (2,5-3,0 mm).

Smanjena radna temperatura (stopa propusnosti je polovica za svakih 10 stupnjeva smanjenja).

Držite hladni dio iznad točke rosišta kako biste izbjegli kondenzaciju (vidi članak #67).

Dodajte pročišćavanje dušikom (suhi N 2, 0,1–0,2 bara) u hladnu sekciju kako biste uklonili prodrlu kiselinu prije kondenzacije.

Prema članku #87, navedite žareni PFA (veća kristalnost, manja propusnost).

Zaključak: struja curenja u HCl udvostručuje se svakih 1500 do 2500 sati.
Struja curenja PFA grijača u vlažnim kiselim parama na 130 stupnjeva raste eksponencijalno s vremenom. Vremenske konstante udvostručenja su τ=1,500-2500 h za HCl, 800-1500 h za H 2 SO 4 i 500-1000 h za miješane kiseline. Mjerenja struje curenja svakih 500–1000 sati omogućit će prognozu preostalog vijeka prije nego što se curenje približi kritičnim razinama (5 mA za GFCI okidanje, 1 mA za rano upozorenje). U većini primjena brzina razvoja struje curenja je umjerena i ne dovodi do preranog okidanja GFCI-ja, već prije do korozije jezgre ili opekotina. Međutim, za tekućine s visokim otporom (DI voda, ultra čista voda), kada je čak i struja curenja od 0,5 mA neprihvatljiva, najveći rani pokazatelj propadanja plašta je praćenje struje curenja. Omogućite kontinuirano praćenje curenja s alarmom na 0,5 mA. Predvidite zamjenu kada eksponencijalni fit predviđa 1,0 mA u sljedećih 2000 sati. Prije putovanja: nadgledajte, modelirajte, zamijenite. To je prediktivno održavanje.