Kako frekvenca modulacije moči (impulzna-širinska modulacija pri 1 Hz v primerjavi z . 100 Hz) za grelec iz titanovega plašča spremeni termomehansko življenjsko dobo uporovne žice in cevi?

V električnih grelnikih iz titanovega plašča je temperatura običajno nadzorovana z modulacijo širine impulza (PWM) moči. Frekvenca signala PWM vpliva na hitrost ciklov vklopa/izklopa grelnika. Pri nizki frekvenci (1 Hz) vsak cikel povzroči veliko temperaturno variacijo 10-30 stopinj v uporovni žici in titanovem plašču. Pri visoki frekvenci (100 Hz) toplotna masa grelnika zgladi impulze, tako da so temperaturna nihanja samo 1–5 stopinj. Takšna temperaturna nihanja povzročajo ciklične toplotne napetosti tako v notranji uporovni žici, ki je običajno iz zlitine niklja in kroma, kot v titanovem plašču. Zmanjšanje amplitude napetosti v vsakem ciklu pri 100 Hz (v primerjavi z 1 Hz) podaljša življenjsko dobo termomehanske utrujenosti za faktor 5-10.

Termomehanski mehanizem utrujenosti, ki ga povzroča modulacija moči

Ko je vklopljen, se uporovna žica segreje in raztegne. Ta širitev povzroči obremenitev okoliškega izolatorja iz magnezijevega oksida in titanovega ovoja. V vsakem ciklu izklopa se doseže hlajenje in krčenje. Amplituda napetosti ($\\Delta\\sigma$) je povezana s temperaturnim nihanjem ($\\Delta$T), pomnoženim s koeficientom toplotnega raztezanja. Za NiCr žico=14 x 10-6 / stopinja. Za titan=8.6 x 10-6 / stopinjo. Pri modulaciji 1 Hz s temperaturnim nihanjem za 30 stopinj je ciklična napetost NiCr žice ~0,04 %, kar je dovolj, da povzroči nizko ciklično utrujenost v milijonih ciklov. S 5-stopinjskim nihanjem pri modulaciji 100 Hz je deformacija samo 0,007 %, kar je pod mejo utrujenosti za oba materiala in zagotavlja skoraj neomejeno življenjsko dobo.

Odvisnost kvantitativne življenjske dobe ob utrujenosti od frekvence PWM

Življenjska doba grelnikov iz titanovega plašča razreda 2 z uporovnimi žicami iz NiCr pri gostoti moči 15 W/cm 2 pri različnih frekvencah PWM je navedena spodaj na podlagi nadzorovanih preskusov. Pri neprekinjenem delovanju (brez modulacije, osnovna linija) življenjska doba uporovne žice presega 100.000 ur, brez toplotne obrabe titanovega plašča. Življenjska doba uporovne žice je 2000–5000 ur z 0,1 Hz PWM (1 cikel vsakih 10 sekund) in 40-stopinjskim nihanjem; titanov plašč razvije razpoke po 10.000-20.000 ciklih. Življenjska doba uporovne žice pri 1 Hz PWM s 30-stopinjskim nihanjem je 5.000–15.000 ur, titanov plašč pa se zlomi po 20.000–50.000 ciklih. 20, 000–50.000 ur življenjske dobe uporovne žice pri 10 Hz PWM s 15-stopinjskim nihanjem. Brez razpok v titanovem ovoju v 100.000 ciklih. Življenjska doba uporovne žice pri 100 Hz PWM s 5-stopinjskim nihanjem je > 100.000 ur in brez toplotne obremenitve v titanovem ovoju. Pri 1.000 Hz PWM je nihanje temperature manjše od 2 stopinj in zmogljivost je enaka kot pri neprekinjenem delovanju.

Občutljivost PWM na gostoto moči in učinek geometrije grelnika

Vpliv frekvence PWM je odvisen od toplotne mase in gostote moči grelnika. Pri nizki gostoti moči 5 W/cm² so temperaturna nihanja manjša za katero koli frekvenco, zato bo signal PWM 1 Hz nihal le za 10 stopinj, življenjska doba žice pa bo 20.000–50.000 ur. Pri visoki gostoti moči (25 W/cm2) signal PWM 1 Hz povzroči nihanje za 50 stopinj in življenjska doba žice se skrajša na 1000-3000 ur. Toplotna masa tankostenske cevi (0,9 mm) je manjša in temperaturna nihanja so večja. Pri cevi z debelo steno (2,0 mm) je toplotna masa večja in temperaturna nihanja so manjša za 30-50 %. Pri dolgem grelniku (2 m) toplotna masa duši tudi temperaturna nihanja na koncih.

Vodnik za izbiro frekvence PWM grelnika titanovega plašča - -

Naslednja tabela prikazuje predloge za frekvenco PWM glede na gostoto moči, pričakovano življenjsko dobo grelnika in potrebe po nadzoru temperature.

Gostota moči (W/cm²) Življenjska doba ciljnega grelnika (ure) Natančnost nadzora temperature (± stopinja) Priporočena frekvenca PWM (Hz) Pričakovano nihanje temperature (stopinja)<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 Kateri koli 1,000+<2 Beyond PWM Frequency Selection Engineering

Razred titana ne vpliva na odpornost proti toplotni utrujenosti uporovne žice, medtem ko ima titan razreda 7 podobno toplotno raztezanje kot razred 2. Material uporovne žice ima velik vpliv na življenjsko dobo proti utrujenosti. Žica NiCr 80/20 ima večjo toplotno odpornost kot žica FeCrAl. Pomembna je kakovost izolacije iz magnezijevega oksida, saj dobro stisnjen MgO bolje prenaša toploto, kar zmanjša temperaturno razliko med žico in plaščem. Dodatno zmanjšanje toplotne obremenitve je mogoče doseči z regulacijo moči z mehkim-zagonom (postopno povečanje moči namesto popolnih impulzov za vklop-izklop). Kjer je v aplikaciji potreben natančen nadzor temperature, je vedno zaželena višja frekvenca PWM (100 do 1000 Hz).

Oblikovanje dobro{0}}informirane specifikacije

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), uporabite 1000 Hz PWM ali krmilnik faznega kota (gladek nadzor moči) namesto on-off modulacije. Za obstoječe nizkofrekvenčne (1 Hz) grelnike bodisi namestite gladilni induktor ali spremenite krmilnik na visokofrekvenčni PWM. Če je natančnost nadzora temperature ±2 stopinji primerna za večino aplikacij, bo frekvenca 10 Hz zagotovila zadostno življenjsko dobo zaradi toplotne utrujenosti. Inženir deluje pri 100 Hz PWM namesto 1 Hz, zato se temperaturno nihanje zmanjša s 30 stopinj na 5 stopinj, kar podaljša življenjsko dobo uporovne žice in titanovega plašča za 5–10-krat.