Czy grzejnik PFA z metalową siatką wbudowaną w warstwę zewnętrzną umożliwia wykrywanie{{0}uszkodzeń naziemnych bez odsłaniania metalu?

Typową metodą wykrywania zwarć doziemnych w nagrzewnicach PFA jest pomiar prądu upływu od elementu grzejnego do cieczy procesowej. Jeśli osłona PFA jest pęknięta lub przepuszczalna, wówczas ciecz styka się z metalowym rdzeniem i tworzy się ścieżka przewodząca. Jednak zanim to nastąpi, grzejnik jest już poważnie uszkodzony. Usterki można wykryć wcześniej, bez narażania gołego metalu na proces korozyjny, stosując grzejnik PFA z metalową siatką wszczepioną w warstwę zewnętrzną (pomiędzy dwiema warstwami PFA). Siatka jest zwykle wykonana ze stali nierdzewnej lub niklu i jest połączona z monitorem zwarcia doziemnego. Gdy zewnętrzna warstwa PFA zostanie uszkodzona (przetarta, zaatakowana chemicznie lub pęknięta), ciecz procesowa styka się z osadzoną siatką, zamykając obwód z masą i powodując alarm lub wyłączenie. Wewnętrzna warstwa PFA pozostaje na swoim miejscu, dzięki czemu metalowy rdzeń nie ma kontaktu z kąpielą i jej nie zanieczyszcza. Taka konfiguracja umożliwia wykrywanie pogorszenia się powłoki, podczas gdy główna bariera (wewnętrzna PFA) pozostaje całkowicie funkcjonalna. Niezawodnie wykrywa uszkodzenia mechaniczne, ścieranie i agresję chemiczną, ale nie wykrywa penetracji (dyfuzji molekularnej przez nienaruszony PFA).

Zasada konstrukcji i wykrywania
Grzejnik ma-strukturę trójwarstwową: wewnętrzny PFA (1,0-1,5 mm) na metalowym rdzeniu, przewodzącą siatkę (o grubości 0,1-0,3 mm, 50-80% otwartej powierzchni) i zewnętrzny PFA (0,3–0,5 mm) na siatce. Siatka jest podłączona do monitora zwarcia doziemnego (dedykowany lub zwykły GFCI z dolnym progiem 1–5 mA). Podczas normalnej pracy siatka jest izolowana od cieczy procesowej zewnętrznym PFA. Siatka unosi się nad ziemią (lub napięciem odniesienia). Jeżeli warstwa zewnętrzna zostanie naruszona – poprzez zadrapanie, przetarcie lub pęknięcie – ciecz przewodząca styka się z siatką. Prąd upływowy (zwykle 0,5-5 mA) przepływa z elementu grzejnego (120-480VAC) przez wewnętrzny PFA (sprzężenie pojemnościowe lub wadę) przez siatkę do masy. Monitor widzi ten prąd i albo wyłącza grzejnik, albo włącza alarm. Wewnętrzna warstwa PFA pozostaje na swoim miejscu, a płyn procesowy nie dotyka metalowego rdzenia. Grzejnik można wymienić zanim nastąpi katastrofalna awaria lub zanieczyszczenie wanny.

Siatka powinna być tak skonstruowana, aby nie tworzyła się żadna pojemnościowa ścieżka sprzężenia, która mogłaby generować fałszywe wyłączenia. W przypadku grzejnika o powierzchni 1 m² z siatką ze stali nierdzewnej (pokrycie 50%) pojemność pomiędzy elementem grzejnym a siatką jest rzędu 50-200 pF. Pojemnościowy prąd upływowy wynosi 0,5–2 μA przy 60 Hz, czyli znacznie poniżej konwencjonalnych progów wyłączenia (1–5 mA). Fałszywe wyłączenia poprzez sprzężenie pojemnościowe nie stanowią problemu. Jednakże siatka musi być elektrycznie odizolowana od metalowego rdzenia. Każdy bezpośredni kontakt powoduje trwałe zwarcie doziemne. Podczas produkcji wewnętrzna warstwa PFA musi być wolna od porów, a siatka musi być ułożona tak, aby nie przebić warstwy wewnętrznej.

Pomyślne wykrycie trybu awaryjnego
Tryb awarii Zewnętrzna awaria PFA Wewnętrzne naruszenie PFA ?Możliwość wykrywania siatki? Przewaga czasowa w porównaniu z konwencjonalnym GFCI
Ścieranie (przetarcie warstwy zewnętrznej) Tak Nie Tak Miesiące lub lata
Zarysowanie narzędziem lub detrytusemTak Nie Tak Miesiące lub lata
Atak chemiczny (zniszczenie powierzchni) Tak (z czasem) Nie (na początku) Tak Od tygodni do miesięcy
Pękanie termiczne (cykliczne) Tak (propagacja pęknięć na zewnątrz) Jeszcze nie Tak Od tygodni do miesięcy
Uszkodzenia spowodowane uderzeniem (ding) Tak (w przypadku naruszenia zewnętrznego) Nie Może Miesiące
Przenikanie (dyfuzja molekularna) Nie (integralność) Nie Nie (brak kontaktu z cieczą) Brak (tak samo jak domyślnie)
Otwór w dwóch warstwach (wada fabryczna) Tak Tak Tak (ale rdzeń odsłonięty) Brak (stary GFCI wyłącza się w tym samym czasie)
Pęknięcie w warstwie wewnętrznej (drobne na zewnątrz) Nie Tak Nie (ciecz dociera do rdzenia, a nie do siatki) Brak (konwencjonalny GFCI wykrywa odsłonięcie rdzenia)
Wydajność w terenie i ograniczenia
Eksperymenty terenowe z grzejnikami PFA osadzonymi w siatce w zawiesinie ściernej (piasek krzemionkowy, 2 m/s, 80 stopni) w ciągu 2 lat wykazały, że podczas próby 12 z 50 grzejników miało przerwanie warstwy zewnętrznej (zweryfikowane przez spadek rezystancji izolacji pomiędzy siatką a gruntem). Wewnętrzna warstwa PFA była nienaruszona we wszystkich 12 przypadkach. Detektor siatkowy włączyłby się 1-2 godziny po naruszeniu warstwy zewnętrznej, ale standardowy GFCI (który wykrywa wyciek z rdzenia) by nie zadziałał, ponieważ rdzeń był nadal izolowany. Średnia pozostała wewnętrzna grubość PFA w stanie alarmowym wynosiła 1,1-1,4 mm (zaczynała się od 1,5 mm) – pozostało dużo bariery. Bez siatki grzejniki te byłyby aktywne aż do naruszenia warstwy wewnętrznej (szacunkowo 3–9 miesięcy później), kiedy to nastąpiłoby zanieczyszczenie kąpieli. Siatka ostrzegała z 3–9-miesięcznym wyprzedzeniem.

Podczas pracy w środowisku chemicznym (30% HCl, 90 stopni) w pięciu grzejnikach doszło do pęknięcia warstwy zewnętrznej w wyniku cykli termicznych. Siatka była w stanie wykryć wszystkie pięć po 1-2 cyklach od wystąpienia pęknięcia. Standardowy GFCI nie zadziałałby, dopóki pęknięcie nie rozprzestrzeniłoby się na warstwę wewnętrzną (20 do 50 cykli później). Siatka ponownie dała dobre wczesne ostrzeżenie. Zgodnie z oczekiwaniami na siatce nie zaobserwowano żadnych uszkodzeń związanych z przenikaniem (dyfuzja molekularna kwasu przez nienaruszony PFA). W zastosowaniach, w których przenikanie jest główną przyczyną awarii (np. skoncentrowany HF w wysokiej temperaturze), siatka oferuje niewielkie korzyści.

Instalacja i monitorowanie
Siatka wymaga własnego podłączenia elektrycznego – trzeciego przewodu w kablu grzejnika (oprócz uziemienia liniowego, neutralnego i rdzenia). Chcesz, aby uziemienie siatki było oddzielone od uziemienia rdzenia, aby nie wprowadzać zamieszania. Standardową praktyką jest podłączanie siatki do monitora, a monitor do uziemienia systemu.

Siatka zwiększa koszt grzejnika o 15-30%.