Как честотата на модулация на мощността (импулсна-широчинна модулация при 1 Hz срещу . 100 Hz) за нагревател от титанова обвивка променя термомеханичния живот на съпротивителната жица и тръбата?

В електрическите нагреватели с титаниева обвивка температурата обикновено се контролира чрез модулация на ширината на импулса (PWM) на мощността. Честотата на PWM сигнала влияе върху скоростта на циклите на включване/изключване на нагревателя. При ниска честота (1 Hz) всеки цикъл предизвиква голяма температурна промяна от 10-30 градуса в съпротивителния проводник и титановата обвивка. При висока честота (100 Hz) топлинната маса на нагревателя изглажда импулсите, така че температурните вариации да са само 1–5 градуса. Такива температурни вариации предизвикват циклични топлинни напрежения както във вътрешната съпротивителна жица, която обикновено е от никел-хромова сплав, така и в титановата обвивка. Намаляването на амплитудата на напрежението всеки цикъл при 100 Hz (срещу 1 Hz) увеличава термомеханичния живот на умора с фактор 5-10.

Термомеханичен механизъм на умора, предизвикан от модулация на мощността

Когато е включен, съпротивителният проводник се нагрява и се разтяга. Това разширяване причинява напрежение върху заобикалящия изолатор от магнезиев оксид и титановата обвивка. При всеки цикъл на изключване се получава охлаждане и свиване. Амплитудата на напрежението ($\\Delta\\sigma$) е свързана с колебанието на температурата ($\\Delta$T) по коефициента на топлинно разширение. За NiCr проводник=14 x 10-6 / градус. За титан=8.6 x 10-6 / градус. При модулация от 1 Hz с температурни колебания от 30 градуса, цикличното напрежение на NiCr проводника е ~0,04%, достатъчно, за да предизвика умора при нисък цикъл в продължение на милиони цикли. С колебание от 5 градуса при 100 Hz модулация, деформацията е само 0,007%, което е под границата на умора и за двата материала и дава почти неограничен живот.

Честотна зависимост на ШИМ на количествения живот при умора

Животът на умора на нагреватели от титаниева обвивка степен 2 с NiCr съпротивителни проводници, при 15 W/cm 2 плътност на мощността при различни честоти на ШИМ, е даден по-долу на базата на контролирани тестове. При непрекъсната работа (без модулация, базова линия), животът на съпротивителния проводник надхвърля 100 000 часа, без термично износване на титановата обвивка. Животът на съпротивителния проводник е 2 000-5 000 часа с 0,1 Hz PWM (1 цикъл на всеки 10 секунди) и люлка от 40 градуса; титановата обвивка се напуква след 10 000-20 000 цикъла. Животът на съпротивителния проводник при 1 Hz PWM с 30 градуса колебание е 5 000–15 000 часа, а титановата обвивка се счупва след 20 000–50 000 цикъла. 20, 000–50 000 часа живот на съпротивителния проводник при 10 Hz PWM с 15 градуса колебание. Няма пукнатини в титановата обвивка в рамките на 100 000 цикъла. Животът на съпротивителния проводник при 100 Hz PWM с 5 градуса люлка е > 100 000 часа и без термичен стрес в титановата обвивка. При 1000 Hz PWM температурната промяна е по-малка от 2 градуса и производителността е същата като при непрекъсната работа.

Чувствителност на PWM към плътността на мощността и ефекта на геометрията на нагревателя

Влиянието на честотата на ШИМ зависи от топлинната маса и плътността на мощността на нагревателя. При ниска плътност на мощността от 5 W/cm², температурните колебания са по-малки за всяка дадена честота, следователно 1 Hz PWM сигнал ще варира само с 10 градуса и животът на проводника ще бъде 20 000–50 000 часа. При висока плътност на мощността (25 W/cm2) 1 Hz PWM сигнал води до колебание от 50 градуса и животът на проводника е намален до 1000-3000 часа. Топлинната маса на тръба с тънка стена (0,9 mm) е по-ниска и температурните вариации са по-големи. За дебелостенна тръба (2,0 mm) топлинната маса е по-висока и температурните колебания намаляват с 30-50%. За дълъг нагревател (2 m) топлинната маса също намалява температурните промени в краищата.

Ръководство за избор на честота на ШИМ нагревател от титанов корпус - -

Следващата таблица показва предложения за честота на ШИМ въз основа на плътността на мощността, очаквания живот на нагревателя и нуждите от контрол на температурата.

Плътност на мощността (W/cm²) Живот на целевия нагревател (часове) Точност на регулиране на температурата (± градус) Препоръчителна честота на ШИМ (Hz) Очаквано колебание на температурата (градус)<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 Всеки 1,000+<2 Beyond PWM Frequency Selection Engineering

Степента на титан не влияе на устойчивостта на термична умора на съпротивителната тел, докато титанът от клас 7 има сходно топлинно разширение като степен 2. Материалът на съпротивителната тел има голям ефект върху живота на умора. Телът NiCr 80/20 има по-голяма устойчивост на термична умора от проводника FeCrAl. Качеството на магнезиевата изолация е важно, както и добре уплътненият MgO пренася топлината по-добре, намалявайки температурната разлика между проводника и обвивката. Допълнително намаляване на термичния стрес може да се постигне чрез регулиране на мощността при плавен-старт (постепенно увеличаване на мощността вместо пълни импулси за включване-изключване). Когато в приложението се изисква точен контрол на температурата, винаги е желателна по-висока честота на ШИМ (100 до 1000 Hz).

Формулиране на добре{0}}информирана спецификация

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), използвайте 1000 Hz PWM или контролер на фазовия ъгъл (плавно управление на мощността) вместо on-off модулация. За съществуващи нискочестотни (1 Hz) нагреватели или инсталирайте изглаждащ индуктор, или сменете контролера на високочестотен ШИМ. Ако точността на контрол на температурата от ±2 градуса е подходяща за повечето приложения, тогава честота от 10 Hz ще предложи достатъчен живот на термична умора. Инженерът работи при 100 Hz PWM вместо 1 Hz, като по този начин температурното колебание се намалява от 30 градуса на 5 градуса, което увеличава живота на съпротивителната жица и титановата обвивка с 5–10 пъти.