Jaki jest wpływ ciasnego zagięcia na wewnętrzny przewód oporowy i jego parametry elektryczne?

Osłona PTFE może wyglądać dobrze na zewnątrz, ale jeśli znajdujący się w niej drut oporowy został nadmiernie naprężony podczas zginania, wewnątrz rozwija się gorący punkt. Zagięcie jest częstym miejscem wczesnego przepalenia, a podstawową przyczyną jest często mechaniczne uszkodzenie drutu, którego nie da się wykryć żadną inspekcją zewnętrzną. Zrozumienie wpływu działania grzałki PTFE z ciasno zgiętym drutem oporowym ma fundamentalne znaczenie dla każdego, kto określa lub instaluje kształtowe grzałki zanurzeniowe w wymagających zastosowaniach przemysłowych.

Reakcja wewnętrznego drutu oporowego na zginanie
Wewnątrz każdej grzałki zanurzeniowej z PTFE znajduje się metalowy drut oporowy. Zwykle stosowanym stopem jest stop NiCr (niklowo-chromowy) (Nichrome). Drut jest sercem grzejnika; gdy przepływa przez niego prąd elektryczny, następuje nagrzewanie rezystancyjne. W większości projektów drut jest skręcony w idealną spiralną cewkę lub ułożony jako proste, jednorodne pasmo na całej długości osłony PTFE.

Następnie grzałka jest wyginana w określony kształt. Drut oporowy jest następnie zginany po tej samej krzywej. Reakcja mechaniczna drutu jest funkcją położenia względem zgięcia:

Na zewnątrz zagięcia - Drut jest naprężony. Jeśli promień zgięcia jest wystarczająco duży, drut jest elastycznie rozciągany i powróci do swojej pierwotnej długości po zwolnieniu siły zginającej. Jeśli jednak zgięcie jest zbyt ostre, drut przekracza granicę sprężystości i ulega trwałemu odkształceniu plastycznemu, które powoduje, że jest lokalnie cieńszy.

Drut znajduje się pod naprężeniem ściskającym wewnątrz zagięcia. Jeśli zgniesz go gwałtownie, wewnętrzny okrąg drutu zostanie ściśnięty, a drut wybrzuszy się/załamie/skręci. W konstrukcji z drutem spiralnym kolejne zwoje mogą stykać się ze sobą lub być nierównomiernie rozmieszczone.

Implikacje elektryczne: gorący punkt i rozciągnięty drut
Różnego rodzaju awarie elektryczne wynikają z ciasnych zagięć drutu oporowego grzejnika PTFE, co prowadzi do zmniejszenia wydajności i krótszej żywotności.

Miejscowy wzrost oporu
Gdy drut jest rozciągany i wyginany na zewnątrz, drut oporowy staje się cieńszy, a jego pole przekroju poprzecznego-zmniejsza się. Opór elektryczny jest odwrotnie proporcjonalny do pola- przekroju poprzecznego, tak więc cieńszy odcinek ma większy opór na jednostkę długości. Ten lokalny wzrost rezystancji oznacza, że ​​przy tym samym prądzie płynącym przez cały grzejnik wygięty element wytwarza nieproporcjonalnie większą ilość ciepła (moc=I2R). Tworzy się gorący punkt – niewielka część grzejnika, w której temperatura jest znacznie wyższa niż w pozostałej części grzejnika.

Implikacje gorących punktów
Hot spot jest odpowiedzialny za szereg mechanizmów awarii:

Utlenianie drutu oporowego - Im szybsze utlenianie stopu NiCr, tym wyższa temperatura. Utlenianie jeszcze bardziej zwiększa opór, tworząc pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, która ostatecznie doprowadzi do stopienia-lub obwodu otwartego.

Degradacja otaczającej powłoki PTFE - PTFE może pracować w sposób ciągły w temperaturze 110 stopni, chociaż temperatura gorącej plamy może lokalnie przekraczać 200 stopni lub więcej. W tych temperaturach PTFE zaczyna się pogarszać, traci wytrzymałość dielektryczną i być może wydziela się żrące produkty uboczne. W przypadku zagięcia z nadmiernym naprężeniem osłona może zmięknąć, odkształcić się lub pęknąć.

Zmniejszenie trwałości drutu spowodowane-zmęczeniem
Gdy odkształcenie plastyczne nie powoduje przerwania rozciągniętego drutu nawet podczas zginania, powstają koncentracje naprężeń. Drut pęcznieje i kurczy się pod wpływem powtarzających się cykli termicznych (nagrzewa się do temperatury roboczej i schładza z powrotem do temperatury otoczenia). Obszar zagięcia poddawany rozciąganiu poddawany jest cyklicznym odkształceniom mechanicznym, powodującym uszkodzenie zmęczeniowe. Drut, który w prostej konstrukcji mógłby przetrwać lata, może po kilku miesiącach ulec uszkodzeniu przy ciasnym zakręcie.

Problem wiązania i kontaktu pomiędzy zwojami
W elementach grzejnych z drutem zwiniętym ciasne zagięcie po wewnętrznej stronie krzywizny może ściskać cewkę, powodując stykanie się sąsiednich zwojów. Jeśli zwoje się zetkną, prąd elektryczny może przeskoczyć zamierzoną spiralę, zmniejszając w ten sposób aktywną długość drutu w tym obszarze. Zmniejsza to lokalny opór (wobec efektu rozciągniętego-drutu) – ale powoduje kolejną trudność – przeciążenie prądu i nierówny rozkład ciepła. Punkt styku może wywołać łuk lub lokalnie się nagrzać, ponownie tworząc gorący punkt.

W rzeczywistości pomiary rezystancji elektrycznej na zaciskach grzejnika mogą początkowo wskazywać normalne wartości. W multimetrze rezystancja całego przewodu mieści się w specyfikacji, dlatego nie można wykryć małego gorącego punktu. W wielu przypadkach awaria następuje po pewnym czasie pracy, czasem po setkach godzin, czasem po kilku dniach, kiedy gorące miejsce ostatecznie przetapia się w drucie lub uszkodzony PTFE pozwala na zwarcie z masą.

Wewnętrzna integralność drutu po badaniu zginania
Osłona PTFE nie jest przezroczysta, dlatego nie można wizualnie sprawdzić wewnętrznego drutu. Producenci-świadomi jakości stosują kontrolę rentgenowską-w celu analizy układu przewodów w gotowym wygiętym grzejniku. Zdjęcie rentgenowskie- ujawnia:

Równomierne odstępy zwojów cewki (bez łączenia i oddzielania)

Żadnych załamań, silnych zagięć i przerzedzeń drutu

Powtarzalność położenia drutu względem linii środkowej osłony

Dobrze uformowane zagięcie zachowało pierwotną geometrię drutu dzięki zginaniu na podgrzewanym trzpieniu i wyżarzaniu-po zgięciu. Drut na zewnątrz zagięcia nie jest naprężony powyżej granicy sprężystości, a drut po wewnętrznej stronie nie wygina się. Odstępy między drutami są jednakowe, co pomaga równomiernie rozprowadzać ciepło na całej długości grzejnika.

Jak cykle termiczne pogarszają drobne uszkodzenia zginające
Lekko dokręcony i wygięty grzejnik może wytrzymać-pierwsze uruchomienie i nawet kilka dni ciągłej pracy. Jednakże cykle termiczne (ogrzewanie i chłodzenie) zwiększają obrażenia na dwa sposoby:

Różnicowa rozszerzalność - Drut i osłona z PTFE mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej. Każdy cykl generuje naprężenia ścinające na styku-powłoki drutu, zlokalizowane w miejscu zagięcia, w którym drut jest już naprężony.

Postępujące utlenianie - Gdy każdy gorący punkt osiąga wysoką temperaturę, na drucie tworzy się niewielka powłoka tlenku. Ta warstwa tlenku jest mniej przewodząca i bardziej krucha. W końcu drut staje się tak cienki i utleniony, że pęka.

Z doświadczenia wiemy, że jeśli zgina się grzejnik do promienia zewnętrznego mniejszego niż 5 do 6 razy, w normalnych warunkach cyklu zazwyczaj ulegnie on uszkodzeniu w ciągu 3 do 12 miesięcy, podczas gdy identyczny grzejnik z odpowiednimi zagięciami wytrzyma 5 lub więcej lat.

Wniosek: Niezawodność elektryczna to dokładność mechaniczna
Długoterminowa niezawodność elektryczna opiera się na ochronie wewnętrznego drutu oporowego przed nadmiernym naprężeniem podczas zginania. Ciasne zgięcie spowoduje skręcenie lub zgięcie drutu, powodując miejscowe gorące plamy, które sprzyjają utlenianiu, uszkadzają osłonę PTFE i prowadzą do przedwczesnego wypalenia. Wstępne testy elektryczne mogą przejść pomyślnie, ale ukryte uszkodzenia niezmiennie ujawniają się w trakcie eksploatacji.

To zrozumienie prowadzi do bardziej ogólnego wniosku, że jakość grzejnika jest połączeniem dokładności mechanicznej i wydajności elektrycznej. Gięcie-gięcie na trzpieniu na gorąco, wyżarzanie-po zgięciu i-weryfikacja promieniami X-weryfikacji rentgenowskiej nie wymagają naprężeń-i wykorzystują te same procedury produkcyjne, które chronią integralność wewnętrznego drutu oporowego. Określenie minimalnego promienia zgięcia nie wystarczy do ochrony drutu, zapobiegania gorącym punktom i zapewnienia długiej żywotności wymaganej w zastosowaniach przemysłowych.