Jak zaprojektować grzejnik PFA ze zintegrowaną osłoną termometryczną, która minimalizuje opóźnienie pomiaru temperatury w olejach o wysokiej-lepkości?

W przypadku olejów o wysokiej lepkości (1 000–100 000 cP, Pr > 500) opóźnienie pomiaru temperatury typowych osłon termometrycznych może wynosić 5–10 minut, co prowadzi do słabej kontroli procesu. Zintegrowana osłona termometryczna lub ślepy otwór uformowany na stałe w osłonie PFA umieszcza czujnik temperatury bezpośrednio w ogrzewanej strefie bez szczeliny powietrznej, minimalizując w ten sposób opóźnienia. Główne czynniki konstrukcyjne to: grubość ścianki osłony termometrycznej (od 0,5 do 1,0 mm, a nie cała ścianka PFA), materiał (PFA lub cienkościenny metal) i wypełniacz (pasta termiczna lub stop-o niskiej temperaturze topnienia). Osłona termometryczna z formowanego PFA o grubości 0,5 mm, wypełniona pastą termoprzewodzącą, zmniejsza opóźnienie do 20–40 sekund w przypadku oleju o temperaturze 80 stopni i ściance grzejnika z PFA o grubości 2 mm. Metalowa osłona termometryczna (OD 1 mm, ścianka 0,2 mm) w PFA daje opóźnienie 5-15 s. Zintegrowana konstrukcja nie naraża czujnika na działanie ostrego oleju, a jednocześnie utrzymuje jego szybkość reakcji.

Źródła opóźnień i strategie ich redukcji
W przypadku typowej zewnętrznej osłony termometrycznej (zamocowanej lub przyspawanej do grzejnika) istnieją trzy przyczyny opóźnienia: (1) przewodzenie ciepła przez warstwę graniczną oleju (dominującą w olejach o wysokiej-lepkości), (2) przewodzenie przez ściankę osłony termometrycznej oraz (3) konwekcja przez szczelinę powietrzną między czujnikiem a tuleją. W przypadku olejów o dużej lepkości dominującym oporem cieplnym jest warstwa graniczna oleju (h_oil=50–200 W/m²·K). Zintegrowana osłona termometryczna eliminuje szczelinę powietrzną i skraca drogę przewodzenia.

Współczynniki redukcji opóźnień dla:

Zmniejszenie grubości dna (0,5 mm w porównaniu z. 2 mm) zmniejsza opóźnienie przewodzenia czterokrotnie.

Szczelinę powietrzną usuwa się poprzez wypełnienie osłony termometru pastą termoprzewodzącą (k=3–5 W/m·K).

Końcówka czujnika Ulepszenie poprzez 10-20× zastosowanie metalowej osłony termometrycznej (stal nierdzewna, k≈15 W/m·K) zamiast PFA (k≈0,2 W/m·K).

Opcje osłony termometrycznej grzejnika PFA
Projekt konstrukcyjny Grubość ścianki (mm) Materiał wypełnienia Stały czas τ (sekundy, w oleju 10 000 cP w temperaturze 80 stopni) Opóźnienie do 90% (s) Odporność chemiczna Zwiększony koszt
Założony zacisk zewnętrznyZacisk metalowy + czujnik Nie dotyczy (zewnętrzny) Powietrze 120-240 280-550Dobry (czujnik zewnętrzny) 5%
Zewnętrzna spawana osłona termometryczna Metalowa osłona przyspawana do kołnierza grzejnika 1,5 (metal) Powietrze 60 - 120 140 - 28015% Dobrze
Zintegrowany otwór nieprzelotowy PFA Formowana kieszeń PFA 1.0 Powietrze 40-80 95-185 Doskonała 20%
Zintegrowany PFA + pasta Formowana kieszeń PFA 0,8 Pasta termiczna (k=3 W/m·K) 12-20 30-45Dobry 25%
Zintegrowany PFA + wąskie dno Formowane PFA 0,5 mm dno 0,5 Pasta 8–12 20–28 Doskonała 30%
Osłona termometru z metalową wkładką Rurka ze stali nierdzewnej (średnica zewnętrzna 1 mm, grubość ścianki 0,2 mm) z PFA 0,2 (metal) Pasta lub stop 3-5 7-1240% Dobra (widoczny metal)
Czujnik RTD lub TC w obudowie z PFA (nieodłączalny) formowany bezpośrednio 0 (czujnik odsłonięty) Brak 1-2 3-5 Znakomity (PFA nad czujnikiem) 50% (czujnik nie podlega wymianie)
Wytyczne projektowe
High viscosity oil service (>5000 cP): Należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:

Minimalna grubość dna osłony termometrycznej: 0,5 mm (PFA) i 0,2 mm (metal). Rozcieńczalnik jest podatny na pękanie lub pełzanie.

Pasta termoprzewodząca: azotek boru lub tlenek glinu z dodatkiem tlenku glinu Pasta silikonowa (k większa lub równa 3 W/m·K) Nakładaj pod odkurzaczem, aby uniknąć pęcherzyków powietrza.

Typ czujnika: Użyj termopary z cienkiego drutu (o średnicy 0,25 mm) lub cienkowarstwowego czujnika RTD (1 mm x 2 mm). Opóźnienie wzrasta w przypadku większych czujników (średnica 6 mm).

Umiejscowienie Umieść osłonę termometru w najgorętszej części grzejnika (często 100–200 mm od zimnego końca, patrz artykuł #70). Wysokie zbiorniki: Dwie osłony termometryczne (górna i dolna) ze średnią

Wymienność: Do ważnych operacji należy używać odłączanego czujnika w osłonie termometrycznej PFA (brak w zestawie). Osłona termometryczna pozostaje w zbiorniku, a czujnik można wyciągnąć w celu kalibracji bez opróżniania.

Produkcja
Podczas formowania zimnej części grzejnika lub poprzez utworzenie wgłębienia w osłonie na gorąco, powstaje integralna osłona termometryczna z PFA. Położenie trzpienia kontroluje grubość na dole. W przypadku osłony termometrycznej z wkładką metalową do formy wkładana jest cienkościenna rurka ze stali nierdzewnej, a wokół rury formowany jest wtryskowo PFA. Metalowy czubek wystaje 5-10 mm w PFA, zapewniając w ten sposób dobry kontakt termiczny. Metal musi być kompatybilny z płynem procesowym (316L dla łagodnego, Hastelloy dla agresywnego). Miedzi ani aluminium nie należy stosować w środowisku korozyjnym.

Przykładowe pole
Zakład produkujący polimery podgrzał żywicę o temperaturze 50 000 cP od 60 stopni C do 120 stopni C za pomocą grzejnika PFA z zewnętrznym zaciskiem-na termoparze. Opóźnienie temperaturowe wynosiło 8 minut, przekroczenie 15 stopni i pogorszenie jakości żywicy. W zakładzie wymieniono grzejnik na zintegrowaną osłonę termometryczną z PFA (grubość spodu 0,6 mm, pasta termoprzewodząca). Opóźnienie spadło teraz do 25 sekund. Kontrola temperatury poprawiła się do ±1,5 o C i ustało niszczenie żywicy. Grzejnik wykonany na zamówienie kosztował 300 dolarów i spłacił go w 3 partiach.

Wniosek: Wklejenie zintegrowanej osłony termometrycznej zmniejsza opóźnienie<30 Seconds
W przypadku olejów o wysokiej-lepkości zintegrowana osłona termometryczna PFA z cienkim dnem (0,5 do 1,0 mm) wypełniona pastą termoprzewodzącą zmniejsza opóźnienie pomiaru temperatury z 5 do 10 minut do 20 do 40 sekund -, co stanowi poprawę od 10 do 15 razy. Aby uzyskać najszybszą reakcję, należy zastosować osłonę termometryczną z wkładką metalową (ścianka 0,2 mm) włożoną do PFA na czas opóźnienia od 5 do 15 sekund. Zintegrowana konstrukcja zachowuje odporność chemiczną i umieszcza czujnik w milimetrach od cieczy procesowej. Czujniki kapsułkowane reagują najszybciej, ale nie można ich wyjmować i kalibrować ani wymieniać. Wybierz według krytyczności procesu. W olejach o wysokiej lepkości opóźnienie jest wrogiem. Cienkie ścianki, pasta termoprzewodząca i metalowe wstawki pokonują opóźnienia. Projektuj mądrze. Reaguj szybko. Kontroluj dokładnie.