Γιατί έχει σχεδιαστεί ένας θερμαντήρας PFA με στοιχείο σπειροειδούς σύρματος πιο ανθεκτικός σε θερμικό σοκ από ό,τι ένα cast-;

Το θερμικό σοκ, όπως η γρήγορη βύθιση ενός θερμού θερμαντήρα σε κρύο υγρό ή η γρήγορη ανακύκλωση ισχύος, προκαλεί μεγάλες διαβαθμίσεις θερμοκρασίας στο περίβλημα PFA. Η μηχανική συμμόρφωση του περιελιγμένου στοιχείου και η παραγωγή διασκορπισμένης θερμότητας δίνουν στον θερμαντήρα στοιχείου σπειροειδούς σύρματος (σύρμα αντίστασης τυλιγμένο γύρω από έναν άξονα, ενθυλακωμένο σε PFA) ένα πλεονέκτημα έναντι ενός χυτού-στο σχεδιασμό (μεταλλικό θερμαντικό στοιχείο που χύνεται απευθείας σε ένα μπλοκ PFA) στην απόδοση θερμικού σοκ. Το σύρμα τυλίγεται σε ένα πηνίο και μπορεί να κάμπτεται και να διαστέλλεται ανεξάρτητα από το περίβλημα PFA για να απορροφά διαφορικά φορτία διαστολής. Το Cast-έχει ένα σκληρό μεταλλικό στοιχείο που προσκολλάται απευθείας στο PFA. Το μέταλλο και το PFA έχουν πολύ διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής (CTE: μέταλλο 14-17 ppm/βαθμός, PFA 110-120 ppm/βαθμός ). Η άκαμπτη επαφή δημιουργεί πίεση σε ένα σημείο όταν η θερμοκρασία αλλάζει γρήγορα. Παρουσιάζεται αποκόλληση ή ρωγμές. Τα αποτελέσματα πεδίου από δοκιμές θερμικού κύκλου αποκαλύπτουν ότι οι θερμαντήρες με σπειροειδή σύρμα αντέχουν 5-10 περισσότερους κύκλους θερμικού σοκ από τις συσκευές χύτευσης ισοδύναμης ισχύος.

Πώς Αντιστέκεται στο Θερμικό Σοκ;
Σε έναν θερμαντήρα με σπειροειδή σύρμα το καλώδιο αντίστασης δεν είναι συνδεδεμένο με το PFA. Είναι ενσωματωμένο σε κεραμικό ή μεταλλικό πυρήνα, ο οποίος είναι επικαλυμμένος με PFA. Το πηνίο είναι ελεύθερο να διαστέλλεται και να συστέλλεται ακτινικά και αξονικά με διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Το σύρμα έχει CTE 6 φορές χαμηλότερο από το περίβλημα, επομένως το περίβλημα PFA διαστέλλεται περισσότερο από το σύρμα, αλλά τα πηνία του σύρματος ανοίγουν κάπως (το βήμα αυξάνεται) για να χειριστεί την απόκλιση. Η επαφή μεταξύ του σύρματος και του PFA αντιμετωπίζει πολύ μικρή διατμητική τάση, με το PFA να μπορεί να κάμπτεται γύρω από το σύρμα χωρίς περιορισμό.

Ένα χυτό-σχέδιο ενσωματώνει πλήρως το μεταλλικό θερμαντικό στοιχείο (συνήθως μια ευθεία ράβδο ή σωλήνα σε σχήμα U-) σε PFA. Το μέταλλο είναι συνδεδεμένο με το PFA. Σε περίπτωση ταχείας αλλαγής θερμοκρασίας, το PFA διαστέλλεται 6 φορές πιο γρήγορα από το μέταλλο. Επειδή το μέταλλο είναι σκληρό και συνδεδεμένο, το PFA δεν μπορεί να επεκταθεί ελεύθερα-είναι τεντωμένο γύρω από το μέταλλο. Η τάση εφελκυσμού που προκύπτει στην επαφή του μετάλλου-PFA μπορεί να φτάσει τα 5-10 MPa για θερμικό σοκ 100 μοιρών. Το PFA έχει αντοχή σε εφελκυσμό 12-15 MPa αλλά αντοχή δέσμευσης με μέταλλο 2-5 MPa. Διαχωρίζει τη διεπαφή για να δημιουργήσει ένα κενό. Η υγρασία εισχωρεί στο κενό και τα συνοδευτικά θερμικά σοκ προκαλούν τη θραύση του PFA.

Κύκλοι Θερμικού Σοκ: Ποσοτική Σύγκριση
Τύπος θερμαντήρα Κατασκευή Θερμοκρασιακό Σοκ (ΔT) Κύκλοι σε αποκόλληση/Αστοχία ρωγμής Σπειρωμένο σύρμα, σύρμα PFA 2 mm τυλιγμένο πάνω από κεραμικό πυρήνα 100 μοίρες (150 μοίρες έως 50 μοίρες) 5.000–10.000 Σταδιακή κόπωση (το καλώδιο μπορεί να σπάσει πρώτα)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20.000 Ελάχιστη ζημιά
Ευθύγραμμη ράβδος, χυτή-μεταλλική ράβδος χυτού PFA 100 μοιρών 500–2000Μεταλλικό-Αποκόλληση PFA στη διεπαφή
Χυτός-σε σχήμα U, λυγισμένος μεταλλικός σωλήνας χυτός σε PTFE 100 μοιρών 200–1.000 Εσωτερική ακτίνα ρωγμών κάμψης
Συγκολλητική στρώση χυτή-σε μέταλλο + αστάρι + PFA 100 μοιρών 1.000-3.000 Αστοχία κόλλας (ξεφλουδίσματα ασταριού)
Κουλουριασμένο σύρμα, παχύ θηκάρι (3 mm PFA) Χοντρό σύρμα PFA κουλουριασμένο 100 μοίρες 8.000–15.000 A καλύτερη λεπτή θήκη
Υποδοχή επέκτασης μετάλλου
Γιατί το Cast-Σχέδια αποτυγχάνει υπό θερμικό σοκ
Το cast-στο σχέδιο είναι ευαίσθητο λόγω της τεράστιας συνδεδεμένης περιοχής μεταξύ του μετάλλου και του PFA. Για μια μεταλλική ράβδο μήκους 1 m, διαμέτρου 10 mm χυτή σε PFA, η περιοχή συνδεδεμένης επιφάνειας είναι π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Ολόκληρη η αναντιστοιχία στην επέκταση για 100 μοίρες είναι ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. Το PFA θέλει να επεκταθεί κατά 11 mm περισσότερο από το μέταλλο. Επειδή είναι συνδεδεμένα, το PFA τεντώνεται ελαστικά και δημιουργεί στρες. Η διατμητική τάση στη διεπιφάνεια είναι τ=G × ΔL / t, όπου G είναι συντελεστής διάτμησης και t είναι το πάχος του PFA. Για t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa αδύνατη. Στην πραγματική περίπτωση το PFA οδηγεί σε αποκόλληση στη διεπαφή. Η τάση συγκεντρώνεται στα άκρα της μεταλλικής ράβδου (όπου η αναντιστοιχία είναι μεγαλύτερη) και σχηματίζονται ρωγμές και αναπτύσσονται προς τα μέσα.

Οι θερμαντήρες με σπειροειδή σύρμα δεν έχουν τόσο τεράστια συνδεδεμένη διεπαφή. Το σύρμα έρχεται σε επαφή με το PFA μόνο σε εντοπισμένα σημεία (η εξωτερική διάμετρος των πηνίων). Η συνολική επιφάνεια επαφής είναι ελάχιστη (10-20% του cast-στην περιοχή). Οι επαφές δεν είναι κολλημένες (το καλώδιο μπορεί να γλιστρήσει). Η κίνηση του σύρματος, όχι το τέντωμα PFA, εξυπηρετεί την αναντιστοιχία επέκτασης.

Πρακτικές συνέπειες για την επιλογή
Για εφαρμογές όπου ο θερμικός κύκλος είναι συχνός (ημερήσια έναρξη/διακοπή, διεργασίες κατά παρτίδες ή κύκλοι καθαρισμού με θερμικό σοκ), θα πρέπει να καθοριστεί ένας θερμαντήρας PFA με σπειροειδή σύρμα. Οι θερμαντήρες χύτευσης-είναι κατάλληλοι και συνήθως λιγότερο δαπανηροί για εφαρμογές σταθερής-κατάστασης (συνεχής λειτουργία, χωρίς ποδήλατο).

Ιδανικό για: αντιδραστήρες παρτίδας, γραμμές επιμετάλλωσης που κλείνουν καθημερινά,-κύκλους απόψυξης, καθαρισμό με θερμικό σοκ (βύθιση της θερμάστρας σε κρύο υγρό), φορητές θερμάστρες.

Χύτευση-κατάλληλη για: Συνεχή χημική επεξεργασία, θέρμανση νερού 24/7, θερμαντήρες αναμονής, μη-ποδηλατικές εφαρμογές.

Οι θερμαντήρες με σπειροειδή σύρματα είναι συνήθως 20-40% πιο ακριβοί από τους χυτούς-λόγω της πιο περίπλοκης περιέλιξης και κατασκευής. Το Premium δικαιολογείται από την παρατεταμένη διάρκεια ζωής υπό θερμική ανακύκλωση. Μια χυτή θερμάστρα που σπάει μετά από 500 κύκλους (6 μήνες καθημερινής ποδηλασίας) μπορεί να αντικατασταθεί 5 φορές σε 2,5 χρόνια. ένας θερμαντήρας με σπειροειδή σύρμα μπορεί να διαρκέσει όλη τη διάρκεια με μία αντικατάσταση.

Δοκιμή πεδίου
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 κύκλοι). Πρόσθετο προκαταβολικό κόστος (30% premium) που αποπληρώνεται σε 6 μήνες μέσω χαμηλότερης εργασίας αντικατάστασης και χρόνου διακοπής λειτουργίας.

Συμπέρασμα: Το κουλουριασμένο σύρμα είναι 5-10 φορές πιο ανθεκτικό σε θερμικό σοκ
Ο θερμαντήρας PFA με κουλουριασμένο σύρμα είναι πολύ πιο ανθεκτικός στο θερμικό σοκ από ό,τι ένα χυτό-στο σχεδιασμό, επειδή το τυλιγμένο σύρμα μπορεί να λυγίσει και να διασταλεί ανεξάρτητα από το περίβλημα PFA για να προσαρμόσει τη διαφορική θερμική διαστολή χωρίς να δημιουργεί σημαντικές τάσεις διεπιφάνειας. Το χυτό-στο σχέδιο κάνει το μεταλλικό στοιχείο να συγκολληθεί άκαμπτα με το PFA, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την αποκόλληση και το σπάσιμο με γρήγορες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Για εφαρμογές που παρουσιάζουν κανονικό κύκλο θερμοκρασίας (καθημερινοί ή πολλοί κύκλοι ανά ημέρα) προσδιορίστε το σπειροειδές σύρμα. Η μετάδοση-είναι εντάξει και μειωμένο κόστος για συνεχή, σταθερή λειτουργία. Η χύτευση-σε θερμάστρες σκοτώνεται από θερμικό σοκ. Το πηνίο σύρματος επιβιώνει. Και αν δεν είστε σίγουροι, τυλίξτε το. Είναι πιο ανθεκτικό.