Koji je siguran maksimalni gradijent snage (W/cm² po sekundi) za PFA grijač kako bi se izbjeglo stvaranje mjehurića unutarnje pare?

Brzo uključivanje PFA grijača iz hladnog stanja rezultira znatnim zagrijavanjem metalne jezgre u usporedbi s okolnim PFA omotačem. Ako ima ostataka vlage na kontaktu PFA-metala (obično 5-50 mg od proizvodnje ili apsorbirane vlage), vlaga se pregrijava u paru prije nego što se PFA zagrije dovoljno da omogući difuziju. Visoki tlak pare (10–100 bara) lokalno podiže PFA iz jezgre i stvara mjehur. Nakon što se razvije, parom-ispunjen mjehur djeluje kao toplinski izolator, uzrokujući da se područje zagrije i mjehur se širi. Važan parametar za kontrolu stvaranja mjehurića nije stacionarna gustoća vata, već gradijent snage: koliko brzo raste gustoća vata (W/cm2/s). Za tipični PFA grijač bez dodatne zaštite od vlage, sigurni maksimalni gradijent snage je 0,5 do 1,0 W/cm2 po sekundi. Čak i u stacionarnom-stanju gustoće vata mnogo ispod PFA-ove kontinuirane vrijednosti, gustoća vata iznad 2–3 W/cm² po sekundi izazvat će opekotine unutar 10–50 ciklusa pokretanja.

Mehanizam stvaranja mjehurića od pare i povećanje temperature
PFA-metalno sučelje bilo kojeg grijača sadrži zaostalu vlagu iz tri izvora: (1) vode apsorbirane iz vlažnog zraka tijekom skladištenja (PFA je propustan za vodenu paru), (2) kondenzacije tijekom-ciklusa hlađenja i (3) proizvodnih ostataka. "Suhi" grijač bi normalno uključivao 5-20 mg vode duž sučelja za duljinu od 1 m. Tijekom hladnog pokretanja i pri punoj snazi, temperatura metalne jezgre raste brzinom koju daje dT/dt=(P×η)/(m×c_p), gdje je P snaga (W), η je učinkovitost (≈0,95), m je masa jezgre (≈2–4 kg za grijač od 6 kW), a c_p je specifična toplina Incoloya (≈450 J/kg·K). Za grijač od 6 kW s jezgrom od 3 kilograma dT/dt=(6,000 x 0,95) / (3 x 450)=5,700 / 1,350=4.2 stupanj/sek. Jezgra dostiže 100C za (100-20)/4.2=19 sekundi. Vanjska površina PFA, u dodiru s hladnom tekućinom, zagrijava se puno sporije. Unutarnja površina PFA (pored jezgre) je približno 100 stupnjeva u t=19 sekundi, međutim vanjska površina može biti samo 30-40 stupnjeva. Temperatura duž cijelog zida u t=19 sekundi je 60-70 stupnjeva.

Voda na kontaktu ključa na 100 stupnjeva. Ova brza promjena faze iz tekućine u paru rezultira povećanjem volumena od 1600 puta. Razmak sučelja (0,1-1,0 µm) je premalen da bi se prilagodio ovom širenju i tlak raste na 10-100 bara. lokalno PFA popušta i formira se mjehurić - slojeviti odjeljak općenito promjera 2-10 mm. Blister je napunjen parom toplinske vodljivosti od ~0,02 W/m·K (10× niže od PFA). Područje mjehura je vruća mrlja s lokalnim porastom temperature od 20-50 stupnjeva. Svaki put kad se to dogodi, mjehur postaje veći i uvlači vlagu iz okolnog područja. Mjehur može puknuti u 10-100 ciklusa i izložiti metalnu jezgru procesnoj tekućini, što rezultira naglim uzemljenjem.

Ograničenja gradijenata snage prema statusu grijača
Sadržaj vlage na sučelju uvjeta vlage grijača (mg/m duljine) Maksimalni dq/dt (W/cm2.s) sigurno Max stabilno-stanje q (W/cm2) Vrijeme do pune snage (za grijač od 4 W/cm2) Preporučena kontrola pokretanja
Osušeno u vakuumu ili pročišćeno dušikom 1 mg 5-100,4 do 0,8 sek. Do 5 Dobar početak
Tvornički novo (suho skladištenje)5-10 mg 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 sec. Meki start (rampa od 3-5 sek.)
Standard primijenjen u vlažnoj klimi 10–25 mg 1,0–1.5 3–4 2.7–4,0 sekunde Kontrola rampe (5 do 10 sekundi)
Aged (>2 godine rada u vlažnom okruženju) 25-50 mg 0.5-1.0 2-3 4-8 sec Spora rampa (10-20 sec)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 mg 0,2–0.4 1–2 10–20 s osušiti prije upotrebe vrlo spor početak
Grijač s prethodnim mjehurićima (vidljiv ili opipan) Varijabilni N/AN/AN/A Zamijenite grijač; ne može se povratiti
Provjera na terenu i praktično računalstvo
Za određivanje gradijenta snage postojeće instalacije: Izmjerite vrijeme od uključivanja grijača (na izlazu regulatora) do vremena kada grijač postigne snagu u stabilnom stanju. Za jednostavno uključivanje/isključivanje kontroliranog otpornog grijača puna snaga je osigurana odmah-gradijent je praktički neograničen tijekom prve milisekunde. To je riskantno. gradijent=(konačna gustoća snage)/(trajanje rampe) za SCR kontrolu faznog-kuta s rampom mekog pokretanja. Primjer: grijač od 6 kW s površinom od 0,1 m2 (qfinal=6 W/cm2) i periodom povećanja od 10 sekundi proizvodi dq/dt=6 / 10=0.6 W/cm2 po sekundi - sigurno. dq/dt=3 W/cm² po sekundi, vrijeme rampe 2 sekunde - opasno za većinu grijača.

Field verification of presence of blisters (1) Insulation resistance measurement (megohmmeter, 500 V DC) before start-up (cold) and just after steady state temperature is reached. The decrease in resistance from >1000 MΩ do 100-500 MΩ pri zagrijavanju označava migraciju vlage i potencijalno stvaranje mjehura. (2) Prijeđite prstima duž PFA površine s isključenim grijačem i ohladite. Mjehurići se pipaju kao male kvržice (1-5 mm u promjeru, lagano uzdignute). (3) Infracrvena kamera može se koristiti tijekom pokretanja za otkrivanje područja mjehurića kao lokaliziranih vrućih točaka (5-20C iznad okolnog omotača) unutar 30-60 sekundi od primjene napajanja. Ako se pronađe mjehur, grijač treba zamijeniti.

Strategija kontrole za prevenciju
Najbolji način da izbjegnete stvaranje mjehurića od pare je korištenje mekog-starta ili rampe snage. Za konvencionalne grijače, programabilna rampa koja progresivno povećava snagu od 0% do 100% tijekom 10-30 sekundi ograničava dq/dt na 0,2-0,7 W/cm^2/sek. Vrijeme povećanja treba odrediti ovisno o masi grijača i očekivanom stanju vlage. Konzervativna početna točka: vrijeme povećanja (s) jednako je stacionarnoj gustoći vata (W/cm^2). Rampa 4-8 sekundi za grijanje od 4 W/cm2. Za grijalicu za koju je poznato da ima visoku vlažnost (produljeno razdoblje mirovanja u vlažnom području), upotrijebite 15 do 30 sekundi. Meki-start se može izvesti s osnovnim vremenskim-relejem za odgodu i-state relejem (jeftin, 50-150 USD) ili s programabilnim PID regulatorom s mogućnostima rampe (Watlow, Omron, Eurotherm, itd.). Rampa se mora koristiti za svako pokretanje, a ne samo nakon prekida napajanja. Za grijače koji često rade (više puta na dan), dovoljna je kratka promjena (5-10 sekundi) jer se vlaga nema šanse mnogo nakupiti između ciklusa.

Za nove specifikacije grijača, inženjeri bi trebali zatražiti postupak uklanjanja vlage, u kojem se grijač zagrijava na 120 stupnjeva pod vakuumom ili protokom suhog dušika tijekom 24 sata kako bi se uklonila vlaga sučelja prije isporuke. Proizvođač jamči zaostalu vlagu < 1mg. Takvi grijači mogu izdržati dq/dt čak do 5 W/cm2/sec. Razlika u cijeni je minimalna (10-20% premija) Za bitne primjene gdje nije dostupan meki start, odaberite "suhi grijač s punjenjem dušikom" i zatražite certifikaciju.

Zaključak: Standardni grijači ograničavaju dq/dt na manje od ili jednako 1W/cm2/s
Za konvencionalni PFA grijač, siguran maksimalni gradijent snage za izbjegavanje unutarnjeg stvaranja mjehurića od pare je 0,5-1,0 W/cm^2/s, što je ekvivalentno vremenu povećanja od 4-10 s do pune snage za grijač od 4 W/cm^2. Veći gradijenti pregrijavaju preostalu vlagu na kontaktu s PFA-metalom, stvarajući mjehuriće od pare koji se šire sa svakim toplinskim ciklusom i na kraju pucaju, što dovodi do kvara na zemlji. Prevencija je jednostavna i jeftina, upotrebom kontrolera za-meko pokretanje ili programabilnih funkcija rampe. Sigurni gradijenti se povećavaju na 5-10 W/cm2/sec za grijače s utvrđenim niskim sadržajem vlage (1 mg vakuumskim sušenjem). Ako takva dokumentacija nije dostupna, pretpostavite 10–25 mg vlage i upotrijebite period povećanja od najmanje 5 sekundi za grijače do 4 W/cm 2 . Mala vremenska kazna je zanemariva u usporedbi s cijenom zamjene grijača i zastoja procesa zbog kvara povezanog s mjehurićem. Inženjeri bi trebali definirati maksimalno dq/dt ili minimalno vrijeme rampe u specifikaciji kupnje grijača. Grijač koji stvara mjehuriće pri pokretanju nije oštećen zbog materijala - on je žrtva pretjeranog gradijenta snage u odnosu na stanje vlage. Kontrolirajte gradijent, kontrolirajte mjehuriće.