Какъв е безопасният максимален градиент на мощността (W/cm² за секунда) за PFA нагревател, за да се избегне образуването на вътрешни парни мехури?

Бързото захранване на PFA нагревател от студено състояние води до значително нагряване на металната сърцевина в сравнение с околната PFA обвивка. Ако има остатъчна влага при контакта с PFA-метала (обикновено 5-50 mg от производствената или абсорбираната влага), влагата се прегрява до пара, преди PFA да се нагрее достатъчно, за да позволи дифузия. Високото налягане на парата (10–100 bar) локално повдига PFA от сърцевината и образува мехур. Веднъж развит, блистерът,-напълнен с пара, действа като топлоизолатор, карайки зоната да се нагрява и блистерът да се разширява. Важният параметър за контролиране на образуването на блистери не е стабилната плътност на ватовете, а градиентът на мощността: колко бързо нараства плътността на ватовете (W/cm2/sec). За типичен PFA нагревател без допълнителна защита от влага, безопасният максимален градиент на мощността е 0,5 до 1,0 W/cm2 за секунда. Дори при плътност на вата в стационарно-състояние много под непрекъснатата оценка на PFA, плътност на вата над 2–3 W/cm² за секунда ще предизвика изгаряне в рамките на 10–50 цикъла на стартиране.

Механизъм за образуване на парни мехури и повишаване на температурата
Металният интерфейс PFA- на всеки нагревател съдържа остатъчна влага от три източника: (1) вода, абсорбирана от влажния въздух по време на съхранение (PFA е пропусклива за водни пари), (2) кондензация по време на цикли на охлаждане-и (3) производствени остатъци. „Сухият“ нагревател обикновено включва 5–20 mg вода по дължината на интерфейса за дължина от 1 m. По време на студен старт и при пълна мощност, температурата на металната сърцевина се повишава със скорост, дадена от dT/dt=(P×η)/(m×c_p), където P е мощността (W), η е ефективността (≈0,95), m е масата на сърцевината (≈2–4 kg за 6 kW нагревател) и c_p е специфичната топлина на Incoloy (≈450 J/kg·K). За нагревател от 6 kW с сърцевина от 3 килограма dT/dt=(6000 x 0,95) / (3 x 450)=5,700 / 1,350=4.2 градуса /сек. Ядрото достига 100C за (100-20)/4.2=19 секунди. Външната повърхност на PFA, в контакт с хладна течност, се затопля много по-бавно. Вътрешната повърхност на PFA (до ядрото) е приблизително 100 градуса за t=19 секунди, но външната повърхност може да бъде само 30-40 градуса. Температурата по цялата стена за t=19 секунди е 60-70 градуса.

Водата при контакта кипи при 100 градуса. Тази бърза промяна на фазата от течност към пара води до 1600 пъти увеличение на обема. Междината на интерфейса (0,1-1,0 µm) е твърде малка, за да поеме това разширение и налягането се повишава до 10-100 бара. локално PFA се поддава и се образува мехур - разслоено отделение с обикновено 2-10 mm в диаметър. Блистерът се пълни с пара с топлопроводимост ~0,02 W/m·K (10× по-ниска от PFA). Зоната на мехура е горещ участък с локално повишаване на температурата с 20-50 градуса. Всеки път, когато това се случи, мехурът става по-голям и извлича влага от околния регион. Блистерът може да се спука за 10–100 цикъла и да изложи металната сърцевина на технологичната течност, което води до внезапно заземяване.

Граници на градиентите на мощността според състоянието на нагревателя
Съдържание на влага в нагревателя Състояние на влага Интерфейс (mg/m дължина) Максимално dq/dt (W/cm2.s) безопасно Макс. стабилно-състояние q (W/cm2) Време до пълна мощност (за 4 W/cm2 нагревател) Препоръчителен стартов контрол
Вакуумно изсушени или прочистени с азот 1 mg 5-100,4 до 0,8 сек. До 5 Добър старт
Фабрично нов (сухо съхранение)5-10 mg 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 sec Плав старт (наклон от 3-5 sec.)
Стандарт, приложен във влажен климат10–25 mg 1,0–1.5 3–4 2.7–4,0 секунди Контрол на нарастване (5 до 10 секунди)
Aged (>2 години влажна работа) 25-50 mg 0.5-1.0 2-3 4-8 sec Бавно нарастване (10-20 sec)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 mg 0,2–0.4 1–2 10–20 секунди изсъхне преди употреба много бавен старт
Нагревател с предишни блистери (видими или усетени) Променлива N/AN/AN/A Сменете нагревателя; не може да се възстанови
Проверка в полеви и практически изчисления
За да определите градиента на мощността на съществуваща инсталация: Измерете времето от захранването на нагревателя (на изхода на контролера) до времето, когато нагревателят достигне постоянна мощност. За обикновен резистивен нагревател с контролирано включване/изключване пълната мощност се осигурява веднага-градиентът е практически неограничен за първата милисекунда. Това е рисковано. градиент=(крайна плътност на мощността)/(продължителност на наклона) за управление на SCR на фазов-ъгъл с рампа на плавен старт. Пример: 6 kW нагревател с 0,1 m2 повърхностна площ (qfinal=6 W/cm2) и период на нарастване от 10 секунди произвежда dq/dt=6 / 10=0.6 W/cm2 за секунда - безопасно. dq/dt=3 W/cm² за секунда, време на рампа 2 секунди - опасно за повечето нагреватели.

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 до 100-500 MΩ при затопляне означава миграция на влага и потенциално образуване на мехури. (2) Прокарайте пръсти по PFA повърхността с изключен нагревател и охладете. Мехурите се напипват като малки бучки (1-5 mm в диаметър, леко повдигнати). (3) Инфрачервена камера може да се използва по време на стартиране за откриване на области с мехури като локализирани горещи точки (5-20C над заобикалящата обвивка) в рамките на 30-60 секунди след прилагане на захранването. Ако се открие мехур, нагревателят трябва да се смени.

Контролна стратегия за превенция
Най-добрият начин да избегнете образуването на мехури от парата е да използвате плавен-старт или мощност. За конвенционалните нагреватели, програмируема рампа, която прогресивно повишава мощността от 0% до 100% за 10–30 секунди, ограничава dq/dt до 0,2–0,7 W/cm^2/sec. Времето за нарастване трябва да се определи в зависимост от масата на нагревателя и очакваното състояние на влага. Консервативна начална точка: времето за нарастване (s) се равнява на стабилна плътност на ватовете (W/cm^2). Рампа 4-8 секунди за 4 W/cm2 нагряване. За нагревател, за който е известно, че има висока влажност (удължен период на неактивност във влажна зона), използвайте 15 до 30 секунди. Плавният-старт може да се извърши с основно реле за-закъснение и-реле за твърдо състояние (евтино, $50-150) или с програмируем PID контролер с възможности за рампа (Watlow, Omron, Eurotherm и др.). Рампата трябва да се използва при всяко стартиране, а не само след прекъсване на захранването. За нагреватели, които работят много (много пъти на ден), е достатъчна кратка промяна (5-10 секунди), тъй като влагата няма шанс да се натрупа много между циклите.

За новите спецификации на нагревателя инженерите трябва да поискат процедура за пречистване от влага, при която нагревателят се нагрява до 120 градуса под вакуум или поток от сух азот в продължение на 24 часа, за да се отстрани влагата от интерфейса преди доставката. Производителят гарантира остатъчна влага < 1mg. Такива нагреватели могат да издържат dq/dt до 5 W/cm2/sec. Разликата в цената е минимална (10-20% надбавка) За основни приложения, при които плавен старт не е наличен, изберете „сух нагревател с азотно запълване“ и поискайте сертификат.

Заключение: Стандартните нагреватели ограничават dq/dt до По-малко или равно на 1W/cm2/sec
За конвенционален PFA нагревател, безопасният максимален градиент на мощността, за да се избегне образуването на вътрешни парни мехури, е 0,5-1,0 W/cm^2/сек, еквивалентен на време за нарастване от 4-10 секунди до пълна мощност за 4 W/cm^2 нагревател. По-високите градиенти прегряват остатъчната влага при PFA-металния контакт, образувайки парни мехури, които се разширяват с всеки топлинен цикъл и накрая се пукат, което води до заземяване. Предотвратяването е лесно и евтино, като се използват контролери за плавен-старт или програмируеми функции за рампа. Безопасните градиенти нарастват до 5-10 W/cm2/sec за нагреватели с установено ниско съдържание на влага (1 mg чрез вакуумно сушене). Ако такава документация не е налична, приемете 10–25 mg влага и използвайте период на нарастване от най-малко 5 секунди за нагреватели до 4 W/cm 2 . Минималното наказание за време е незначително в сравнение с разходите за подмяна на нагревател и прекъсване на процеса поради повреда, свързана с блистер. Инженерите трябва да определят максимален dq/dt или минимално време за промяна в спецификацията за покупка на нагревател. Нагревател, образуващ мехури при стартиране, не е дефектен поради материал - той е жертва на прекомерен градиент на мощността спрямо състоянието на влага. Контролирайте градиента, контролирайте мехурите.