Kako predvideti povečanje toka električnega uhajanja, ko se plašč PFA stara v mokrih kislinskih parah pri 130 stopinjah?

Električna izolacijska upornost ovoja se zmanjša s staranjem grelnika PFA v mokri kisli pari (HCl, H2SO4, HNO3 ali mešane kisline pri 130 stopinjah) in tok uhajanja se poveča. Dvig je pospešen kot Arrheniusova-enačba, tok uhajanja se podvoji vsakih 1000-2000 ur, odvisno od vrste kisline in koncentracije. Tok uhajanja novega grelnika PFA pri 130 stopinjah v suhem zraku je < 0,01 mA. Po 2000 urah v mokrih parah HCl (koncentracija 30 %, 130 stopinj) se lahko tok uhajanja poveča na 0,1–0,5 mA. Pri 5.000 urah lahko doseže 1-5 mA in doseže običajne ravni sprožitve GFCI (5-30 mA). Če lahko predvidite dvig, ga lahko zamenjate, preden povzroči neprijetno spotikanje ali kontaminacijo. Model predvidevanja upošteva stopnjo penetracije, kislinsko prevodnost in čas, potreben za ustvarjanje prevodnega premaza na vmesniku PFA-kovina.

Mehanizmi tokovnega uhajanja PFA zaradi staranja
Leakage currents travel from the metal heating element (120–480 VAC) to ground over two parallel paths: (1) through the PFA bulk (volume resistivity, ∼10¹⁶ Ω·cm for new PFA) and (2) along the PFA-metal contact (surface conductivity, modified by moisture and corrosion products). New PFA, volume resistivity >10^15 ohm-cm, uhajalni tok<0.001 micro-A-negligible. As the heater ages acid vapours infiltrate through the PFA wall (see Article #35 for HCl permeation rates. Acid will condense at the PFA–metal interface (if the interface temperature is below the dew point of the acid). The condensed acid provides a thin layer of electrolyte of conductivity based on acid concentration and temperature. The metal core corrodes slowly, and the metal ions that are produced increase the conductivity of the electrolyte. The leakage current is I=V/R where R decreases with increasing the conductive film.

Hitrost naraščanja toka uhajanja je odvisna od hitrosti prepustnosti kisline, ki jo ureja Fickov zakon. Hitrost prodiranja HCl skozi 2 mm PFA pri 130 stopinjah je 0,5–1,5 g/m²·dan. Skupna kislina, ki je prodrla v 5000 urah (208 dni)=0.5–1,5 × 0,5 m2 (povprečna površina grelnika) × 208=52–156 kilogramov HCl, ki doseže vmesnik-dovolj za tvorbo prevodnega premaza.

Model napovedi uhajanja toka
Empirični podatki iz testiranja pospešenega staranja (130 stopinj / mokra kisla para / 2 mm stene PFA) vodijo do naslednje napovedne enačbe I(t)=I začetni * exp(t/τ), kjer se τ (časovna konstanta podvojitve toka uhajanja) spreminja glede na vrsto kisline:

Suh zrak (kontrola): τ > 100 000 h (brez bistvenega povečanja)

Mokra HCl (10–30 %) τ=1,500–2500 ur.

Mokra H2SO4 (50-70 %) τ=800-1500 ur

Mokra HNO3 (30–50 %): τ=2,000–3000 h

Mokra mešana kislina (npr. aqua regia): τ=500-1000 h

VF mokro (10–50 %) τ=1,000–2000 ur

t=2,000 ur za grelec PFA v 30 % HCl pari pri 130 C. Uhajajoči tok pri t=0 je 0,01 mA. Pri t=2,000 h I=0.01 × e 1=0.027 mA. Pri t=4,000 urah sem=0.01 exp(2)=0.074 mA. Ob t=6000 urah, I=0.01×exp(3)=0.20 mA. I=0.01 × exp(5)=1.48 mA pri t=10,000 ur. To je še vedno pod običajnimi omejitvami izklopa 5–30 mA, kar kaže, da izklop GFCI zaradi puščanja vmesnika verjetno ne bo prvi način okvare. Namesto tega na začetku pride do korozije jedra ali opeklin (glejte člen #65). Tok uhajanja je ustrezen napovedovalec le, če je večji od 0,5–1,0 mA, kar kaže na precejšnjo degradacijo vmesnika.

Praktično napovedovanje in spremljanje
Za mokro delovanje s kislimi hlapi določite osnovni tok uhajanja za grelnike po 100 urah delovanja (za stabilizacijo začetne absorpcije vlage). Preizkusite s testerjem GFCI ali megaommetrom v načinu uhajanja toka. Zabeležite njegovo vrednost (običajno 0,01 do 0,10 mA). Četrtletni indikator. Narišite na pol-log papir. Prilagodite eksponentno krivuljo, da napoveste, kdaj bo uhajanje doseglo 5 mA (ali raven alarma za vaš objekt). Izberite τ iz zgornje tabele za specifično kislino. Če je izmerjeno predvideno (hiter porast), preverite, ali je grelnik poškodovan.

Tako je za grelnik z izmerjenim uhajajočim tokom 0,2 mA pri 4000 urah (predvideno 0,074 mA) dejanski τ=4,000 / ln(0,2/0,01)=4,000 / ln(20)=4,000 / 3.0=1,333 ur-hitrejši kot je bilo predvideno. Ta grelnik je treba preventivno zamenjati v naslednjih 2000 urah.

Ublažitev za zmanjšanje povečanja toka uhajanja
Za upočasnitev naraščanja toka uhajanja:

Stopnjo prepustnosti je mogoče zmanjšati za 40-60 % z uporabo debelejše stene PFA (2,5-3,0 mm).

Znižana delovna temperatura (stopnja prepustnosti je polovična za vsakih 10 stopinj znižanja).

Hladni del naj bo nad rosiščem, da preprečite kondenzacijo (glejte člen #67).

Dodajte prezračevanje z dušikom (suhi N 2, 0,1–0,2 bara) v hladilni del, da odstranite prodrlo kislino pred kondenzacijo.

Glede na člen #87 določite žarjeni PFA (večja kristaliničnost, manjša prepustnost).

Zaključek: tok uhajanja v HCl se podvoji vsakih 1500 do 2500 ur.
Tok uhajanja grelnikov PFA v mokrih kislinskih parah pri 130 stopinjah s časom eksponentno narašča. Časovne konstante podvojitve so τ=1,500-2.500 h za HCl, 800-1.500 h za H 2 SO 4 in 500-1.000 h za mešane kisline. Meritve toka uhajanja vsakih 500–1000 ur bodo omogočile napoved preostale življenjske dobe, preden se uhajanje približa kritičnim nivojem (5 mA za izklop GFCI, 1 mA za zgodnje opozorilo). V večini aplikacij je stopnja razvoja toka uhajanja zmerna in ne povzroči prezgodnjega izklopa GFCI, temveč prej korozijo jedra ali opekline. Vendar pa je pri tekočinah z visoko upornostjo (DI voda, ultra čista voda), ko je nesprejemljiv tudi tok uhajanja 0,5 mA, največji zgodnji napovednik poslabšanja ovoja spremljanje toka uhajanja. Zagotovite neprekinjen nadzor uhajanja z alarmom pri 0,5 mA. Predvidite zamenjavo, ko eksponentno prileganje predvideva 1,0 mA v naslednjih 2000 urah. Pred potovanjem: spremljajte, modelirajte, zamenjajte. To je predvideno vzdrževanje.