Какво е въздействието на плътното огъване върху проводника с вътрешно съпротивление и неговите електрически характеристики?

PTFE обвивката може да изглежда добре отвън, но ако съпротивителният проводник вътре е бил пренапрегнат при огъване, вътре се е образувала гореща точка. Огъването е често място на ранно изгаряне и основната причина често е механична повреда на проводника, повреда, която не може да бъде открита при каквато и да е външна проверка. Разбирането на ефекта от функционирането на PTFE нагревател с вътрешна съпротивителна жица е от основно значение за всеки, който специфицира или инсталира оформени потопяеми нагреватели при взискателни индустриални операции.

Реакция на проводника с вътрешно съпротивление на огъване
Във всеки PTFE потопяем нагревател има метална съпротивителна жица. Обикновено използваната сплав е NiCr (хром-никел) сплав (нихром). Жицата е работещото сърце на нагревателя; когато през него преминава електрически ток, възниква резистивно нагряване. В повечето дизайни жицата е усукана в перфектна спирална намотка или е положена като права, хомогенна нишка по цялата дължина на PTFE обвивката.

След това нагревателят се огъва в определена форма. След това съпротивителният проводник се огъва в същата крива. Механичната реакция на жицата е функция на позицията спрямо огъването:

От външната страна на завоя - жицата е поставена под напрежение. Ако радиусът на огъване е достатъчно голям, жицата е еластично опъната и ще се върне към първоначалната си дължина, когато силата на огъване се освободи. Но ако огъването е твърде рязко, жицата надхвърля границата на еластичност и придобива постоянно пластично изкривяване, което я прави локално по-тънка.

Жицата е под напрежение на натиск вътре в огъването. Ако го огънете рязко, вътрешният кръг на телта ще се компресира и телта ще се изкриви/прегъне/сглоби. При дизайн със спираловидна жица последователните навивки могат да се допират една до друга или да станат неравномерно разположени.

Електрическите последици: гореща точка и опънат проводник
Електрически повреди от различен тип възникват от тесните завои в съпротивителния проводник на PTFE нагревател, което води до намалена производителност и по-кратък експлоатационен живот.

Локализирано повишаване на съпротивлението
Когато телта се разтегне и огъне навън, съпротивителната жица става по-тънка и площта на напречното-сечение намалява. Електрическото съпротивление е обратно пропорционално на площта на напречното-сечение, така че по-тънкият участък има по-голямо съпротивление на единица дължина. Това локално увеличение на съпротивлението означава, че за същия ток, преминаващ през целия нагревател, огънато парче произвежда непропорционално по-голямо количество топлина (мощност=I2R). Това образува гореща точка, малка част от нагревателя, където температурата е много по-висока от останалата част от нагревателя.

Последици от горещи точки
Горещата точка е отговорна за редица механизми за повреда:

Окисляване на съпротивителен проводник - Колкото по-бързо е окисляването на NiCr сплавта, толкова по-висока е температурата. Окисляването увеличава съпротивлението още повече, създавайки положителна обратна връзка, която в крайна сметка ще доведе до разтопяване или отваряне на веригата.

Разграждане на околната PTFE обвивка - PTFE може да работи непрекъснато при 110 градуса, въпреки че горещият пластир може локално да е над 200 градуса или повече. При тези температури PTFE започва да се влошава, губи диелектрична якост и може би отделя корозивни странични продукти. При пренапрегнат завой обвивката може да омекне, да се деформира или да се спука.

Намаляване на живота на проводника-, предизвикано от умора
Когато пластичната деформация не счупи опънатия проводник дори при огъване, възникват концентрации на напрежение. Жицата набъбва и се свива след многократни термични цикли (загряване до работна температура и охлаждане обратно до стайна температура). Областта на завоя под напрежение е подложена на циклично механично напрежение, причиняващо разрушаване от умора. Тел, който би могъл да оцелее години наред в прав дизайн, може да се повреди за месеци при плътно огъване.

Проблемът с групирането и контакта между завъртанията
В нагревателните елементи с навита жица плътният завой от вътрешната страна на кривата може да компресира намотката, причинявайки контакт на съседни навивки. Ако завоите се докоснат, електрическият ток може да прескочи планираната спирала, като по този начин намали активната дължина на проводника в тази област. Това намалява локалното съпротивление (срещу ефекта на опъната -жица) – но причинява друга трудност – претоварване на тока и неравномерно разпределение на топлината. Точката на контакт може да извие дъга или да се нагрее локално, образувайки отново гореща точка.

В действителност измерванията на електрическото съпротивление на клемите на нагревателя биха могли да покажат първоначално нормални стойности. В мултицет съпротивлението на целия проводник е в рамките на спецификацията, така че малка гореща точка не може да бъде открита. В много случаи повредата се случва след период на работа, понякога стотици часове, понякога само няколко дни, когато горещата точка в крайна сметка се разтопи през жицата или компрометираният PTFE позволява късо съединение към земята.

Цялост на вътрешния проводник след тестване на огъване
PTFE обвивката не е прозрачна, поради което вътрешният проводник не може да бъде визуално инспектиран. Производителите,-съзнаващи качеството, използват рентгенова проверка, за да анализират разположението на проводника в рамките на завършен огънат нагревател. Рентгенова снимка разкрива:

Равномерно разстояние между навивките на бобината (без групиране или разделяне)

Без прегъвания, тежки огъвания или изтъняване на жицата

Повторяемост на позицията на проводника спрямо централната линия на обвивката

Добре оформеното огъване поддържа оригиналната геометрия на телта чрез огъване на нагрят дорник и отгряване след огъване. Телта от външната страна на завоя не е натоварена над границата на еластичност и телта от вътрешната страна не се изкривява. Разстоянието между проводниците е равномерно, което спомага за насърчаване на равномерна топлина по цялата дължина на нагревателя.

Как термичното циклиране влошава малките щети от огъване
Леко пренатегнат огънат нагревател може да издържи първоначално-включване и дори няколко дни непрекъсната работа. Въпреки това термичният цикъл (нагряване и охлаждане) увеличава щетите по два начина:

Диференциално разширение - Жицата и PTFE обвивката имат различни коефициенти на топлинно разширение. Всеки цикъл генерира напрежения на срязване при контакта на обвивката на проводника, локализирани в завоя, където проводникът вече е под напрежение.

Прогресивно оксидиране - Тъй като всяка гореща точка достига висока температура, върху жицата се създава малко покритие от оксид. Този оксиден слой е по-малко проводим и по-крехък. В крайна сметка жицата става толкова тънка и окислена, че се отваря.

Ние открихме от полеви опит, че ако огънете нагревател до радиус по-малък от 5 до 6 пъти OD, той обикновено ще се повреди за 3 до 12 месеца при нормални условия на цикъл, докато идентичен нагревател с подходящи завои ще издържи 5 или повече години.

Заключение: Електрическата надеждност е механична точност
Дългосрочната електрическа надеждност се основава на защита на вътрешния съпротивителен проводник от пренапрежение по време на огъване. Плътното огъване ще усуче или набие жицата, причинявайки локализирани горещи петна, които насърчават окисляването, ще увредят PTFE обвивката и ще доведат до преждевременно изгаряне. Първоначалните електрически тестове може да преминат успешно, но скритата повреда неизменно се проявява при обслужване.

Това разбиране води до по-общо заключение, че качеството на нагревателя е комбинация от механична точност и електрически характеристики. Огъването-нагрят дорник, отгряването след-огъване и рентгеновата-проверка са без напрежение и използват същите производствени процедури, които запазват целостта на вътрешния съпротивителен проводник. Определянето на минимален радиус на огъване не е достатъчно за защита на проводника, предотвратяване на горещи точки и осигуряване на дългия експлоатационен живот, който изискват индустриалните приложения.