Jak prawidłowo określić długość zimnego sworznia grzejnika PFA, aby zapobiec korozji kondensatu na zaciskach elektrycznych?

Sworznie zimne grzejnika PFA to metalowe zaciski wystające z górnej części zimnej części (części grzejnika, która nie jest zanurzona) do skrzynki przyłączeniowej, w której wykonywane są połączenia elektryczne. Jeśli długość zimnego pinu jest zbyt krótka, zaciski znajdują się zbyt blisko nagrzanego korpusu PFA. Jeżeli zaciski znajdują się poniżej punktu rosy, wilgoć z otaczającego powietrza będzie się na nich skraplać. Ciepło przenoszone przez zimne szpilki utrzymuje je w cieple -, ale tylko wtedy, gdy szpilki są wystarczająco długie, aby wytworzyć gradient termiczny. Ponieważ długość pinu jest krótka i jest chłodna, zaciski pracują chłodno, co sprzyja kondensacji żrących oparów ze zbiornika (mgły kwasowe, chlor, amoniak) na połączeniach elektrycznych. Skondensowane chemikalia powodują korozję zacisków, co prowadzi do zwiększonej rezystancji styków, nagrzewania i ostatecznie załamania się połączenia. W większości zastosowań przemysłowych minimalna długość zimnego sworznia wynosi 70–100 mm od zimnej sekcji PFA do końcówki zacisku. W przypadku nieprzyjaznych warunków parowych (HCl, HF, Cl2, NH3) należy określić 120-150 mm, aby zapewnić, że końcówki znajdują się powyżej punktu rosy.

Gradient termiczny zimnego pinu
Trzpień zimny (zwykle niklowana-miedź lub stal nierdzewna) wychodzi z wewnętrznego elementu grzejnego, przechodzi przez sekcję zimną PFA i kończy się w skrzynce przyłączeniowej. Podstawa zimnego trzpienia (osadzona w PFA) ma wysoką temperaturę, zwykle 80–120 stopni, ze względu na ciepło przekazywane z elementu grzejnego. Końcówka zimnego sworznia (do miejsca podłączenia przewodów) powinna mieć temperaturę otoczenia lub zbliżoną do temperatury otoczenia, aby zabezpieczyć połączenia elektryczne. Zmiana temperatury wzdłuż trzpienia jest określona równaniem przewodzenia ciepła. Profil temperatury pinu zbliża się wykładniczo do otoczenia z charakterystyczną długością λ=√ k × A h × P, gdzie k to przewodność cieplna (≈ 400 W/mK dla miedzi, 15 W/mK dla stali nierdzewnej), A to pole- przekroju poprzecznego, h to utrata ciepła do otaczającego powietrza przez konwekcję (h ≈ 10-20 W/m2.K) i P jest obwodem szpilki. Dla miedzianego trzpienia o średnicy 6 mm A=28 mm2, P=19 mm, λ ≈ √ ( 400 x 2,8e-5 ) / ( 15 x 0,019 )=√ ( 0,0112 / 0,285 )=√ 0.039=0.20 m=200 mm. Sworzeń potrzebuje długości około 200 mm, aby ostygnąć do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia. Do stali nierdzewnej (k=15 W/m.K) λ≈ √(15×2,8e-5/15×0,019)= √(0,00042/0,285)= √0.00147=0.038 m=38 mm Mniejsza przewodność powoduje bardziej strome nachylenie, a kołki ze stali nierdzewnej są krótsze. Stal nierdzewna ma jednak wyższą rezystancję elektryczną niż miedź i dlatego powoduje bardziej omowe ogrzewanie na połączeniu. Większość grzejników klasy PFA wykorzystuje miedziane styki zimne (pozłacane lub niklowane) w celu uzyskania niskiego oporu elektrycznego i większych długości.

W rzeczywistości miedziany zimny pin o długości 70–100 mm (od powierzchni PFA do końcówki) będzie miał temperaturę końcówki o 30–50 stopni powyżej temperatury otoczenia w normalnych warunkach pracy. W temperaturze otoczenia 30°C końcówka może osiągnąć 60-80°C – w większości sytuacji nadal powyżej punktu rosy. Przy temperaturze otoczenia 10 stopni i chłodnym otoczeniu, końcówka może mieć temperaturę 40-50 stopni - nadal powyżej punktu rosy przy umiarkowanej wilgotności (60-70% RH). W przypadku trudnych ustawień pary zalecane są dłuższe kołki (120-150 mm). Końcówka powinna znajdować się powyżej punktu rosy kwasu lub pary chemicznej, który może wynosić nawet 20-40 stopni.

Zalecane długości sworznia zimnego w zależności od środowiska Środowisko Typowa temperatura otoczenia Skład pary Temperatura rosy korozyjnej pary Minimalna długość sworznia zimnego (miedź) Zalecany materiał sworznia
Wewnątrz (sterownia), sucho, czysto 20-30 stopni Brak oparów korozyjnychN/A 50 mmMiedź, niklowana
Ogólne zastosowanie przemysłowe (bez agresywnych oparów) 10 do 40 stopni Niska wilgotność, sporadycznie zapylenie 15 do 25 stopni 70 mm Miedź,-pokryta niklem
Linia galwaniczna (mgły kwaśne: HCl, H₂SO₄) Mgły kwaśne, 30–80% 20–40 stopni RH 30-45 stopni (kwasowy punkt rosy) 100 mm Miedź,-pokryta złotem (odporna na korozję)
Chlorowanie lub wybielanie (Cl2, ClO2) 10-50 stopni C Chlor mokry 35-55 stopni C 120 mm Stal nierdzewna (Cu koroduje w Cl2) Linia trawienia HF (mgła kwasu fluorowodorowego) 20-40 stopni C Para HF, bardzo korozyjna 25-40 stopni C 100 mm Stal nierdzewna lub Monel (Cu atakowany przez HF)
Amoniak lub amina 10-30 stopni NH3 para 15-25 stopni (niska) 70 mm Miedź (NH3 powoduje korozję stali nierdzewnej)
Na zewnątrz, klimat umiarkowany -10 do 40 stopni Wilgotność otoczenia, deszcz Zmienna 100 mm Miedź z odporną na warunki atmosferyczne skrzynką przyłączeniową
Na zewnątrz, zimny klimat -20 do 30 stopni Środowisko Poniżej 0 stopni (lód) 120 mm (z grzejnikiem w skrzynce przyłączeniowej) Podgrzewacz listwy zaciskowej do miedzi
Komora czysta (farmaceutyczna, półprzewodnikowa) 20–25 stopni, filtrowana HEPA, sucha<10°C 50–70 mm Copper, nickel plated
Mokro, wilgotno, tropikalnie 25-35 stopni, 90% RH Wysoka wilgotność 30-33 stopni 100 mm Miedź z uszczelnioną skrzynką przyłączeniową
Konsekwencje małej długości zimnego sworznia
Jeśli zimne piny są za krótkie (np.. 30-50 mm) dla środowiska, zaciski będą działać w niskiej temperaturze (30–50°C w temperaturze otoczenia 30°C). Jeżeli temperatura na zaciskach jest niższa niż punkt rosy, wówczas z powietrza na zaciskach skrapla się wilgoć. Dla temperatury otoczenia wynoszącej 30 stopni i wilgotności względnej 80% punkt rosy wynosi 26 stopni. Zaciski przy 30 stopniach są nieco powyżej punktu rosy. Przy temperaturze 28 stopni na zaciskach będzie występowała kondensacja. W liniach galwanicznych za pomocą mgły kwasowej skroplona wilgoć wychwytuje HCl lub H₂SO₄, tworząc na zaciskach przewodzący kwaśny roztwór. Korozja elektrochemiczna jest szybka: miedziane zaciski zmieniają kolor na zielony lub czarny, rezystancja styku wzrasta, a zacisk nagrzewa się z powodu strat I²R. Skorodowane zakończenie może osiągnąć temperaturę 100–200 stopni, stopić izolację przewodu i spowodować pożar instalacji elektrycznej lub zwarcie doziemne. Dane terenowe zakładu galwanicznego ujawniają, że grzejniki z zimnymi kołkami mniejszymi niż 70 mm mają szybkość korozji końcowej o 5–10 większą niż grzejniki z kołkami 100 mm. Krótkie szpilki zawodzą w ciągu 12-24 miesięcy; długie szpilki przeżywają 5-8 lat.

Dowody z kontroli krótkiej długości zimnego pinu: zielone lub białe produkty korozji na zaciskach, odbarwiona izolacja przewodu w pobliżu złącza, stopione nakrętki lub zaciski przewodów, przerywana praca grzałki (nagrzewanie się połączenia, wzrost rezystancji, wyłączenie grzałki; ostygnięcie połączenia, spadek rezystancji, włączenie grzałki).

JĘZYK SPECYFIKACJI ZAKUPÓW
Inżynierowie dokonujący specyfikacji grzejników PFA powinni określić następujące wymagania dotyczące zimnego sworznia:

Minimalna długość zimnego trzpienia od powierzchni zimnej sekcji PFA do końcówki zacisku: ___ mm (wypełnić w zależności od środowiska: 70 mm ogólnie, 100 mm mgły kwasowe, 120 mm chlor lub HF, 150 mm zimny klimat na zewnątrz)

Materiał sworznia zimnego: miedź niklowana (standard); miedź, złocona (do mgły kwasowej); stal nierdzewna 316 (dla Cl2 lub HF); Monel (dla HF z dużą zawartością chlorków)

Średnica zimnego sworznia. Powinno to wynosić co najmniej 5 mm dla miedzi, 6 mm dla stali nierdzewnej (aby zachować wytrzymałość i masę termiczną)

Zimne szpilki należy uszczelnić w zimnej sekcji PFA za pomocą formowanej lub ściskanej uszczelki, aby zapobiec przenikaniu pary wzdłuż styku szpilek.

Skrzynka przyłączeniowa powinna być umieszczona tak, aby końcówki zacisków znajdowały się co najmniej 20 mm (3/4 cala) nad dnem skrzynki, aby umożliwić odpływ kondensatu z połączeń.

Jedną z możliwych opcji modernizacji istniejących grzejników o zbyt krótkiej długości zimnego pinu jest przedłużenie skrzynki przyłączeniowej za pomocą elementu dystansowego (o wysokości 50 do 100 mm, wykonanego z PVC, PP lub metalu), który odsuwa zaciski dalej od ciepłego korpusu PFA. Element dystansowy zwiększył efektywną długość zimnego sworznia bez modyfikowania grzejnika. Jednakże element dystansowy musi być uszczelniony do zimnej części PFA, aby zapobiec przedostawaniu się pary. Jest to mniej niezawodne niż ustawienie dokładnej długości od początku, ale może przedłużyć żywotność o 1-2 lata w nieagresywnych warunkach.

Wniosek: Minimum 100 mm dla środowiska z agresywną parą
Do typowych zastosowań przemysłowych należy wybrać długość zimnego sworznia grzejnika PFA nie mniejszą niż 70 mm. W przypadku trudnych środowisk parowych (mgły kwaśne, chlor, HF, amoniak) należy określić długość zimnego sworznia 100-120 mm. Zapobiegnie to korozji kondensatu na połączeniach elektrycznych. Zimne piny z miedzi niklowanej lub pozłacanej mają niski opór elektryczny, ale wymagają większych długości (100–150 mm), aby zapewnić wymagany gradient temperatury. Sworznie ze stali nierdzewnej są krótsze (odpowiednio 40–70 mm), ale mają wyższą rezystancję elektryczną i są potrzebne do zastosowań Cl2 i HF, gdy miedź ulega korozji. Inżynierowie muszą dopasować długość, materiał i warunki środowiskowe zimnego sworznia. Dodatkowy koszt dłuższych zimnych pinów (znikomy krańcowy koszt materiału) jest niewielki w porównaniu z kosztem korozji końcówek, awarii połączeń i prawdopodobnego zagrożenia pożarowego. Jeśli grzejnik działa prawidłowo przez 10 lat, ale po 2 latach następuje awaria elektryczna z powodu skorodowanych zacisków, to nie jest to grzejnik dobrej jakości. Posiada standardową awarię zimnego pinu. Sprawdź długość stanu. Sprawdź zgodność grzejników odbierających. Trzpień chłodzący to skromny element mający duży wpływ na niezawodność. Nie zostawiaj ustawień domyślnych producenta.