Zakaj je grelnik PFA z elementom iz zvite žice bolj odporen na toplotni udar kot ulitek-?

Toplotni šok, kot je hitra potopitev vročega grelnika v hladno tekočino ali hitro preklapljanje moči, povzroči velike temperaturne gradiente v ovoju PFA. Mehanska skladnost navitega elementa in razpršeno ustvarjanje toplote dajeta grelniku elementa z navito žico (uporovna žica, navita okoli trna, inkapsulirana v PFA) prednost pred ulito -zasnovo (kovinski grelni element, ulit neposredno v blok PFA) pri učinkovitosti toplotnega udara. Žica je navita v tuljavo in se lahko upogiba in širi neodvisno od plašča iz PFA, da absorbira diferencialne ekspanzijske obremenitve. Cast-in ima element iz trde kovine, prilepljen neposredno na PFA. Kovina in PFA imata zelo različne koeficiente toplotnega raztezanja (CTE: kovina 14-17 ppm/stopinjo, PFA 110-120 ppm/stopino). Togi kontakt ustvarja napetost na enem mestu, ko se temperatura hitro spreminja. Pride do razslojevanja ali razpok. Rezultati preskusov termičnega cikla na terenu kažejo, da grelniki z navito žico prenesejo 5–10 več ciklov toplotnega udara kot vlite naprave enake moči.

Kako je odporen na toplotni udar?
Pri grelniku z navito žico uporovna žica ni vezana na PFA. Vgrajen je v keramično ali kovinsko jedro, ki je prevlečeno s PFA. Tuljava se lahko širi in krči radialno in aksialno s temperaturnimi nihanji. Žica ima CTE 6-krat nižji od ovoja, zato se plašč iz PFA razširi bolj kot žica, vendar se tuljave žice nekoliko odprejo (nagib se poveča), da se spopade z neskladjem. Stik med žico in PFA naleti na zelo malo strižne napetosti, pri čemer se PFA lahko brez omejitev upogiba okoli žice.

Ulita -zasnova popolnoma zapakira kovinski grelni element (običajno ravno palico ali cev v obliki črke U) v PFA. Kovina je vezana na PFA. V primeru hitre spremembe temperature se PFA razširi 6× hitreje kot kovina. Ker je kovina trda in povezana, se PFA ne more prosto razširiti-je raztegnjen okoli kovine. Natezna napetost, ki nastane pri stiku s kovino-PFA, je lahko visoka do 5–10 MPa za toplotni udar 100 stopinj. PFA ima natezno trdnost 12-15 MPa, vendar trdnost vezave na kovino 2-5 MPa. Ločuje vmesnik, da ustvari vrzel. Vlaga pride v režo in spremljajoči toplotni udari povzročijo, da se PFA razbije.

Cikli termičnega udara: kvantitativna primerjava
Vrsta grelnika Konstrukcija Temperaturni udar (ΔT) Cikli do razslojevanja/pokanja Način okvare Zvita žica, 2 mm PFA Žica, navita čez keramično jedro 100 stopinj (150 stopinj do 50 stopinj) 5.000–10.000 Postopna utrujenost (žica se lahko najprej zlomi)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20.000 Minimalna škoda
Ravna palica, ulita-v PFA lita kovinska palica 100 stopinj 500–2000Kovina-PFA razslojevanje na vmesniku
Ulita-, U-oblikovana upognjena kovinska cev, ulita iz PTFE 100 stopinj 200–1000 Notranji polmer upogiba
Lepilna plast, ulita-v kovino + temeljni premaz + PFA 100 stopinj 1.000–3.000 Neuspeh lepila (luščenje temeljnega premaza)
Zvita žica, debel ovoj (3 mm PFA) Debela zvita žica iz PFA 100 stopinj 8.000–15.000 A boljši tanek ovoj
Razširitvena reža za kovinsko jedro Ulito-v kovinsko jedro z razmikom 100 stopinj 2.000–4.000 Izboljšano, vendar še vedno manj kot navito
Zakaj lite-zasnove ne uspejo pod toplotnim udarom
Zasnova-ulitja je dovzetna zaradi velikega spoja med kovino in PFA. Za kovinsko palico dolžine 1 m in premera 10 mm, ulito iz PFA, je vezana površina π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Celotno neujemanje pri raztezanju za 100 stopinj je ΔL=(_PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. PFA želi podaljšati 11 mm več kot kovina. Ker sta povezana, je PFA elastično raztegnjen in ustvarja napetost. Strižna napetost na vmesniku je τ=G × ΔL / t, kjer je G strižni modul in t debelina PFA. Za t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa nemogoče. V resničnem primeru povzroči PFA razslojevanje na vmesniku. Napetost je koncentrirana na koncih kovinske palice (kjer je neusklajenost največja), nastanejo in rastejo razpoke navznoter.

Grelniki z navito žico nimajo tako velikega vezanega vmesnika. Žica se dotika PFA le na določenih točkah (zunanji premer tuljav). Celotna kontaktna površina je minimalna (10-20% ulitka-površine). Kontakti so nepovezani (žica lahko zdrsne). Gibanje žice, ne raztegljivost PFA, prilagodi neusklajenost raztezanja.

Praktične posledice za izbiro
Za aplikacije, kjer so termični cikli pogosti (dnevni zagon/ustavitev, serijski procesi ali cikli čiščenja s termičnim šokom), je treba določiti grelnik z navito žico PFA. Uliti-grelniki so primerni in običajno cenejši za-aplikacije v stacionarnem stanju (neprekinjeno delovanje, brez ciklov).

Idealno za: šaržne reaktorje, linije za galvanizacijo, ki se dnevno ustavljajo, cikle zamrzovanja-odmrzovanja, čiščenje s toplotnim šokom (potopitev grelnika v hladno tekočino), prenosne grelnike.

Ulito-primerno za: neprekinjeno kemično obdelavo, 24/7 ogrevanje vode, pripravljene grelnike, ne-ciklične aplikacije.

Grelniki z navito žico so običajno 20-40 % dražji od ulitih-zaradi bolj zapletenega navijanja in konstrukcije. Premium je upravičen s podaljšano življenjsko dobo v termičnem ciklu. Vliti grelnik, ki se pokvari po 500 ciklih (6 mesecev vsakodnevnega cikliranja), je mogoče zamenjati 5x v 2,5 letih; grelec z navito žico lahko z eno zamenjavo zdrži ves čas.

Terenski preizkus
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 ciklov). Dodatni vnaprejšnji stroški (30-odstotna premija) se povrnejo v 6 mesecih z manj nadomestnega dela in izpadov.

Zaključek: Zvita žica je 5-10-krat bolj odporna na toplotni šok
Grelec PFA z elementom iz zvite žice je veliko bolj odporen na toplotne šoke kot ulita -zasnova, ker se zvita žica lahko upogne in razširi neodvisno od plašča iz PFA, da se prilagodi diferencialnemu toplotnemu raztezanju brez ustvarjanja znatnih medfaznih napetosti. Ulita -zasnova povzroči, da je kovinski element togo vezan na PFA, kar ima za posledico razslojevanje in zlom s hitrimi temperaturnimi nihanji. Za aplikacije z rednimi temperaturnimi cikli (dnevni ali številni cikli na dan) določite navito žico. Cast-in je v redu in zmanjša stroške za neprekinjeno delovanje v stabilnem stanju. Uliti-grelniki uničijo toplotni šok. Žična tuljava preživi. In če niste prepričani, ga zavijte. Je bolj trpežna.