Zašto je PFA grijač s elementom od smotane žice otporniji na toplinski udar od lijevanog-u dizajnu?

Toplinski šok, kao što je brzo uranjanje vrućeg grijača u hladnu tekućinu ili brzo mijenjanje snage, uzrokuje velike temperaturne gradijente u PFA ovojnici. Mehanička podložnost zamotanog elementa i raspršeno stvaranje topline daju grijaču zamotanog žičanog elementa (otporna žica omotana oko trna, inkapsulirana u PFA) prednost u odnosu na lijevani-dizajn (metalni grijaći element izliven izravno u blok PFA) u performansama toplinskog udara. Žica je namotana u zavojnicu i može se savijati i širiti neovisno o PFA omotaču kako bi apsorbirala različita opterećenja širenja. Uliven-ima element od tvrdog metala pričvršćen izravno na PFA. Metal i PFA imaju jako različite koeficijente toplinske ekspanzije (CTE: metal 14-17 ppm/stupnju, PFA 110-120 ppm/stupnju). Čvrsti kontakt stvara napetost na jednom mjestu kada se temperatura brzo mijenja. Dolazi do raslojavanja ili pucanja. Terenski rezultati termičkih cikličkih testova otkrivaju da namotani žičani grijači izdržavaju 5-10 više ciklusa termičkog udara od livenih uređaja jednake snage.

Kako se odupire toplinskom udaru?
U grijaču sa namotanom žicom otporna žica nije vezana za PFA. Ugrađen je u keramičku ili metalnu jezgru, koja je presvučena PFA. Zavojnica se može širiti i skupljati radijalno i aksijalno s temperaturnim varijacijama. Žica ima CTE 6x niži od omotača, stoga se PFA omotač širi više od žice, ali zavojnice žice se donekle otvaraju (nagib se povećava) kako bi riješili neslaganje. Kontakt između žice i PFA nailazi na vrlo malo smično naprezanje, pri čemu se PFA može savijati oko žice bez ograničenja.

Lijevani dizajn u potpunosti zatvara metalni grijaći element (obično ravnu šipku ili cijev u obliku slova U) u PFA. Metal je vezan za PFA. U slučaju brze promjene temperature, PFA se širi 6x brže od metala. Budući da je metal tvrd i povezan, PFA se ne može slobodno širiti-već je rastegnut oko metala. Vlačno naprezanje koje rezultira kontaktom s metal-PFA može biti čak 5-10 MPa za toplinski udar od 100 stupnjeva. PFA ima vlačnu čvrstoću od 12-15 MPa, ali čvrstoću vezivanja za metal od 2-5 MPa. Odvaja sučelje kako bi stvorio prazninu. Vlaga ulazi u otvor, a popratni toplinski udari uzrokuju pucanje PFA.

Ciklusi toplinskog udara: kvantitativna usporedba
Tip grijača Konstrukcija Temperaturni udar (ΔT) Ciklusi do raslojavanja/pukotina Način kvara Namotana žica, 2 mm PFA Žica namotana preko keramičke jezgre 100 stupnjeva (150 stupnjeva do 50 stupnjeva ) 5,000–10,000 Postupno zamor (žica može prvo puknuti)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20.000 Minimalna šteta
Ravna šipka, lijevana-uPFA lijevana metalna šipka 100 stupnjeva 500–2000Metal-PFA raslojavanje na sučelju
Lijevano, U-oblikovano Savijena metalna cijev lijevana u PTFE 100 stupnjeva 200–1000Unutarnji radijus pukotina savijanja
Ljepljivi sloj izliven-u metalu + temeljni premaz + PFA 100 stupnjeva 1.000-3.000 Otkazivanje ljepila (ljuštenje temeljnog premaza)
Namotana žica, debeli omotač (3 mm PFA) Debela namotana žica PFA 100 stupnjeva 8 000–15 000 A bolji tanki omotač
Utor za proširenje metalne jezgre Lijevano-u metalnoj jezgri s razmakom od 100 stupnjeva 2,000-4,000 Poboljšano, ali još uvijek manje od namotanog
Zašto lijevani- dizajni ne uspijevaju pod toplinskim udarom
Lijevani-dizajn je osjetljiv zbog ogromnog spojenog područja između metala i PFA. Za metalnu šipku duljine 1 m, promjera 10 mm izlivenu u PFA, spojena površina je π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Cjelokupna neusklađenost u ekspanziji za 100 stupnjeva je ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. PFA želi produžiti 11 mm više od metala. Budući da su povezani, PFA je elastično istegnut i stvara stres. Smično naprezanje na granici je τ=G × ΔL / t, gdje je G modul smicanja, a t debljina PFA. Za t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa nemoguće. U stvarnom slučaju PFA rezultira delaminacijom na sučelju. Napetost je koncentrirana na krajevima metalne šipke (gdje je neusklađenost najveća), a pukotine se stvaraju i rastu prema unutra.

Grijači sa namotanom žicom nemaju tako veliko spojeno sučelje. Žica dolazi u kontakt s PFA samo na određenim točkama (vanjski promjer svitaka). Ukupna kontaktna površina je minimalna (10-20% lijevane-površine). Kontakti nisu spojeni (žica može skliznuti). Kretanje žice, a ne rastezanje PFA, prilagođava neusklađenost ekspanzije.

Praktične implikacije za izbor
Za primjene u kojima su toplinski ciklusi česti (svakodnevno pokretanje/zaustavljanje, šaržni procesi ili ciklusi čišćenja toplinskim šokom), potrebno je specificirati namotanu žicu PFA grijač. Lijevani-grijači su prikladni i obično jeftiniji za-stacionarne primjene (kontinuirani rad, bez ciklusa).

Idealno za: Šaržne reaktore, linije za galvanizaciju koje se svakodnevno gase, cikluse smrzavanja-odmrzavanja, čišćenje toplinskim šokom (uranjanje grijača u hladnu tekućinu), prijenosne grijače.

Lijevano-prikladno za: kontinuiranu kemijsku obradu, grijanje vode 24/7, grijače u pripravnosti, ne-ciklične primjene.

Grijači sa namotanom žicom obično su 20-40% skuplji od lijevanih-zbog složenijeg namotavanja i konstrukcije. Premium je opravdan produljenim vijekom trajanja pod termičkim ciklusom. Uliveni grijač koji se pokvari nakon 500 ciklusa (6 mjeseci dnevnog ciklusa) može se zamijeniti 5x u 2,5 godine; namotani žičani grijač može izdržati cijelo vrijeme s jednom zamjenom.

Terenski test
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 ciklusa). Dodatni početni trošak (30% premije) otplaćuje se za 6 mjeseci kroz manje zamjenskog rada i zastoja.

Zaključak: Namotana žica je 5-10 puta otpornija na toplinski udar
PFA grijač s namotanim žičanim elementom daleko je otporniji na toplinske udare od lijevanog- dizajna jer se namotana žica može savijati i širiti neovisno o PFA omotaču kako bi se prilagodila diferencijalnoj toplinskoj ekspanziji bez stvaranja značajnih međupovršinskih napetosti. Lijevani-dizajn uzrokuje da metalni element bude kruto spojen na PFA, što rezultira raslojavanjem i lomljenjem s brzim temperaturnim fluktuacijama. Za primjene s redovitim temperaturnim ciklusima (svaki dan ili više ciklusa dnevno) odredite namotanu žicu. Lijev-je u redu i smanjeni su troškovi za kontinuirani rad u stabilnom stanju. Lijevani-grijači ubijaju se od toplinskog udara. Zavojnica žice preživjela. A ako niste sigurni, zamotajte. Izdržljivije je.