Защо един PFA нагревател с елемент от навита тел е по-устойчив на термичен удар от лятия-в дизайн?

Термичният шок, като бързо потапяне на горещ нагревател в студена течност или бързо превключване на мощността, причинява големи температурни градиенти в PFA обвивката. Механичното съответствие на спираловидния елемент и разпръснатото генериране на топлина дават на нагревателя на спираловидния проводник (съпротивителна жица, навита около дорник, капсулована в PFA) предимство пред отлятата-дизайн (метален нагревателен елемент, отлят директно в блок от PFA) по отношение на характеристиките на топлинен шок. Жицата е навита на намотка и може да се огъва и разширява независимо от PFA обвивката, за да поеме различни натоварвания от разширение. Излят-има твърд метален елемент, залепен директно към PFA. Металът и PFA имат силно различни коефициенти на топлинно разширение (CTE: метал 14-17 ppm/градус, PFA 110-120 ppm/градус). Твърдият контакт създава напрежение в едно място при бърза промяна на температурата. Получава се разслояване или напукване. Резултатите от полеви тестове за термични цикли разкриват, че нагревателите с навита тел издържат на 5–10 повече цикъла на термичен шок от устройствата за отливане с еквивалентна мощност.

Как издържа на термичен удар?
В нагревателя със спирална тел съпротивителният проводник не е свързан към PFA. Той е вграден в керамично или метално ядро, което е с PFA покритие. Намотката може свободно да се разширява и свива радиално и аксиално с температурни промени. Проводникът има CTE 6 пъти по-нисък от обвивката, следователно обвивката от PFA се разширява повече от проводника, но намотките на проводника се отварят донякъде (стъпката се увеличава), за да се справят с несъответствието. Контактът между телта и PFA изпитва много малко напрежение на срязване, като PFA може да се огъва около телта без ограничения.

Излят-дизайн напълно капсулира металния нагревателен елемент (обикновено прав прът или U-образна тръба) в PFA. Металът е свързан с PFA. В случай на бърза промяна на температурата, PFA се разширява 6 пъти по-бързо от метала. Тъй като металът е твърд и свързан, PFA не може да се разширява свободно-той е опънат около метала. Напрежението на опън, което се получава при контакта с метал-PFA, може да достигне до 5-10 MPa за термичен удар от 100 градуса. PFA има якост на опън от 12-15 MPa, но якост на свързване с метал от 2-5 MPa. Той разделя интерфейса, за да създаде празнина. Влагата навлиза в пролуката и съпътстващите топлинни удари причиняват разрушаване на PFA.

Цикли на термичен шок: Количествено сравнение
Тип нагревател Конструкция Температурен удар (ΔT) Цикли до разслояване/напукване Режим на повреда Смотана тел, 2 mm PFA Тел, навит върху керамичното ядро ​​100 градуса (150 градуса до 50 градуса) 5 000–10 000 Постепенна умора (първо телта може да щракне)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20 000 Минимални щети
Прав прът, лят-в PFA лят метален прът 100 градуса 500–2000Метал-PFA разслояване на интерфейса
Излята-, U-образна огъната метална тръба, отлята в PTFE 100 градуса 200–1000 Вътрешен радиус на напукване на огъване
Адхезивен слой, отлят-в метал + грунд + PFA 100 градуса 1000-3000 Разрушаване на лепилото (отлепване на грунд)
Навита тел, дебела обвивка (3 mm PFA) Дебела навита тел PFA 100 градуса 8 000–15 000 A по-добра тънка обвивка
Разширителен слот за метално ядро. Отлято-в метално ядро ​​с празнина 100 градуса 2000-4000 Подобрено, но все пак по-малко от навито
Защо отлятите-проекти се провалят при термичен удар
Отливката-в дизайна е податлива поради огромната свързана област между метала и PFA. За метален прът с дължина 1 m и диаметър 10 mm, отлят в PFA, залепената повърхност е π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Цялото несъответствие в разширението за 100 градуса е ΔL=(_PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. PFA иска да се удължи с 11 mm повече от метала. Тъй като са свързани, PFA е еластично разтегнат и създава напрежение. Напрежението на срязване на интерфейса е τ=G × ΔL / t, където G е модулът на срязване, а t е дебелината на PFA. За t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa невъзможно. В реалния случай PFA води до разслояване на интерфейса. Напрежението се концентрира в краищата на металния прът (където несъответствието е най-голямо) и се образуват пукнатини, които растат навътре.

Нагревателите със спираловидна тел нямат толкова огромен свързан интерфейс. Проводникът контактува с PFA само в локализирани точки (външния диаметър на намотките). Общата контактна площ е минимална (10-20% от отлятата-площ). Контактите са несвързани (жицата може да се плъзга). Движението на телта, а не разтягането на PFA, приспособява несъответствието на разширението.

Практически изводи за избора
За приложения, при които термичните цикли са чести (ежедневно стартиране/спиране, партидни процеси или цикли на почистване с термичен шок), трябва да се посочи нагревател с навита тел PFA. Отливките-нагреватели са подходящи и обикновено са по-евтини за приложения в стационарно-състояние (непрекъсната работа, без цикличност).

Идеален за: Периодични реактори, линии за обшивка, които се изключват ежедневно, цикли на замразяване-размразяване, почистване чрез термичен шок (потапяне на нагревателя в студена течност), преносими нагреватели.

Отлив-подходящ за: непрекъсната химическа обработка, 24/7 нагряване на вода, резервни нагреватели, приложения без-циклене.

Телните нагреватели със спирала обикновено са с 20-40% по-скъпи от лятите-заради по-сложното навиване и конструкция. Премиумът е оправдан от удължения живот при термичен цикъл. Отлят нагревател, който се повреди след 500 цикъла (6 месеца ежедневен цикъл), може да бъде сменен 5 пъти за 2,5 години; нагревател с навита тел може да издържи цялото времетраене с една смяна.

Полеви тест
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 цикъла). Допълнителни предварителни разходи (30% премия) се изплащат за 6 месеца чрез по-малко труд за подмяна и престой.

Заключение: Навитата тел е 5-10 пъти по-устойчива на термичен удар
Нагревателят PFA с елемент от навита жица е много по-устойчив на топлинни удари, отколкото отливката-, тъй като навитата жица може да се огъва и разширява независимо от обвивката от PFA, за да поеме диференциално термично разширение, без да генерира значителни напрежения на повърхността. Излятата-дизайн кара металния елемент да бъде твърдо свързан към PFA, което води до разслояване и счупване с бързи температурни колебания. За приложения, които изпитват редовни температурни цикли (ежедневно или много цикли на ден), посочете навита тел. Заливането-е добре и намалява разходите за непрекъсната работа в стабилно състояние. Лятите-нагреватели се унищожават от термичен удар. Телената намотка оцелява. И ако не сте сигурни, увийте го. По-издръжлив е.