Dlaczego grzejnik PFA z elementem z drutu zwiniętego jest bardziej odporny na szok termiczny niż grzejnik-zalany w projekcie?

Szok termiczny, taki jak szybkie zanurzenie gorącego grzejnika w zimnej cieczy lub szybkie wyłączenie zasilania, powoduje duże gradienty temperatury w osłonie PFA. Podatność mechaniczna zwiniętego elementu i rozproszone wytwarzanie ciepła dają elementowi grzejnemu z drutu zwojowego (drut oporowy nawinięty na trzpieniu, otoczony PFA) przewagę nad odlewanym-projektem (metalowy element grzejny odlany bezpośrednio w blok PFA) pod względem odporności na szok termiczny. Drut jest nawinięty w cewkę i może zginać się i rozszerzać niezależnie od powłoki PFA, aby absorbować zróżnicowane obciążenia rozszerzające. Odlew- zawiera element z twardego metalu przyklejony bezpośrednio do PFA. Metal i PFA mają znacznie różne współczynniki rozszerzalności cieplnej (WRC: metal 14-17 ppm/stopień, PFA 110-120 ppm/stopień). Sztywny styk powoduje naprężenie w jednym miejscu, gdy temperatura zmienia się szybko. Występuje rozwarstwienie lub pękanie. Wyniki terenowe testów cykli termicznych pokazują, że grzejniki z drutem spiralnym wytrzymują o 5–10 cykli szoku termicznego więcej niż urządzenia wlewane o równoważnej mocy.

Jak jest odporny na szok termiczny?
W nagrzewnicy z drutem zwiniętym drut oporowy nie jest związany z PFA. Jest on osadzony w rdzeniu ceramicznym lub metalowym pokrytym PFA. Cewka może rozszerzać się i kurczyć promieniowo i osiowo wraz ze zmianami temperatury. Drut ma współczynnik CTE 6x niższy niż osłona, dlatego osłona PFA rozszerza się bardziej niż drut, ale cewki drutu nieco się otwierają (zwiększa się skok), aby poradzić sobie z rozbieżnością. Styk pomiędzy drutem a PFA podlega bardzo niewielkim naprężeniom ścinającym, przy czym PFA może zginać się wokół drutu bez ograniczeń.

Konstrukcja odlewana-całkowicie otacza metalowy element grzejny (zwykle prosty pręt lub rurkę w kształcie-U) w PFA. Metal jest związany z PFA. W przypadku szybkiej zmiany temperatury PFA rozszerza się 6 razy szybciej niż metal. Ponieważ metal jest twardy i połączony, PFA nie może się swobodnie rozszerzać,-jest rozciągany wokół metalu. Naprężenie rozciągające powstające na styku metalowego-PFA może sięgać nawet 5–10 MPa w przypadku szoku termicznego o temperaturze 100 stopni. PFA ma wytrzymałość na rozciąganie 12-15 MPa, ale siłę wiązania z metalem 2-5 MPa. Oddziela interfejs, tworząc lukę. Do szczeliny przedostaje się wilgoć, a towarzyszące jej szoki cieplne powodują pękanie PFA.

Cykle szoku termicznego: porównanie ilościowe
Typ grzejnika Szok temperaturowy konstrukcji (ΔT) Cykle do trybu uszkodzenia spowodowanego rozwarstwieniem/pęknięciem Drut zwinięty, PFA 2 mm Drut nawinięty na rdzeń ceramiczny 100 stopni (150 stopni do 50 stopni) 5 000–10 000 Stopniowe zmęczenie (drut może najpierw pęknąć)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20 000 Minimalne obrażenia
Pręt prosty, odlany-z żeliwa PFA pręt metalowy 100 stopni 500–2000 Metal-rozwarstwienie PFA na styku
Odlewana-kształt U-Wygięta rura metalowa odlewana z PTFE 100 stopni 200–1000 Wewnętrzny promień pękania po zgięciu
Warstwa kleju odlana-z metalu + podkład + PFA 100 stopni 1000–3000 Uszkodzenie kleju (łuszczenie się podkładu)
Drut zwinięty, gruba osłona (3 mm PFA) Gruby drut zwinięty w PFA 100 stopni 8 000–15 000 A lepsza cienka osłona
Gniazdo rozszerzeń z rdzeniem metalowym Odlew-Rdzeń metalowy z odstępem 100 stopni 2000–4000 Ulepszony, ale wciąż mniejszy niż w zwoju
Dlaczego odlewane-projekty zawodzą pod wpływem szoku termicznego
Projekt odlewu jest podatny-ze względu na ogromną powierzchnię związaną pomiędzy metalem a PFA. W przypadku metalowego pręta o długości 1 m i średnicy 10 mm odlanego w PFA powierzchnia klejenia wynosi π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Całe niedopasowanie w rozszerzaniu dla 100 stopni wynosi ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. PFA chce wysunąć o 11 mm więcej niż metal. Ponieważ są one połączone, PFA jest elastycznie rozciągany i powoduje powstawanie naprężeń. Naprężenie ścinające na styku wynosi τ=G × ΔL / t, gdzie G to moduł ścinania, a t to grubość PFA. Dla t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa niemożliwe. W rzeczywistym przypadku PFA powoduje rozwarstwienie na styku. Naprężenie koncentruje się na końcach metalowego pręta (gdzie niedopasowanie jest największe), a pęknięcia tworzą się i rosną do wewnątrz.

Nagrzewnice z drutem zwijanym nie mają tak dużej powierzchni styku. Drut styka się z PFA tylko w zlokalizowanych punktach (zewnętrzna średnica cewek). Całkowity obszar kontaktu jest minimalny (10-20% gipsu-w obszarze). Styki nie są zespolone (przewód może się ślizgać). Ruch drutu, a nie rozciąganie PFA, kompensuje niedopasowanie rozszerzalności.

Praktyczne implikacje dotyczące wyboru
Do zastosowań, w których często występują cykle termiczne (codzienne uruchamianie/zatrzymywanie, procesy wsadowe lub cykle czyszczenia metodą szoku termicznego), należy zastosować grzejnik z PFA z drutem spiralnym. Grzejniki-odlewane są odpowiednie i zazwyczaj tańsze w przypadku-zastosowań w stanie ustalonym (praca ciągła, bez cykli).

Idealny do: reaktorów wsadowych, linii galwanicznych, które są codziennie wyłączane, cykli-rozmrażania, czyszczenia metodą szoku termicznego (zanurzanie grzejnika w zimnej cieczy), grzejników przenośnych.

Odlew-odpowiedni do: ciągłego przetwarzania chemicznego, całodobowego podgrzewania wody, grzejników rezerwowych, zastosowań innych niż-cykliczne.

Grzejniki z drutem zwijanym są zwykle o 20-40% droższe niż odlewane-ze względu na bardziej skomplikowane uzwojenie i konstrukcję. Premium jest uzasadniony dłuższą żywotnością w warunkach cykli termicznych. Wbudowaną grzałkę, która zepsuje się po 500 cyklach (6 miesięcy codziennej pracy na rowerze), można wymienić 5 razy w ciągu 2,5 roku; grzejnik z drutem zwijanym może wystarczyć na cały okres przy jednej wymianie.

Próba terenowa
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 cykli). Dodatkowe koszty początkowe (30% składki) spłacane w ciągu 6 miesięcy w wyniku mniejszej liczby robocizny zastępczej i przestojów.

Wniosek: Drut zwinięty jest 5-10 razy bardziej odporny na szok termiczny
Grzejnik PFA ze zwiniętym drutem jest znacznie bardziej odporny na szok termiczny niż konstrukcja odlewana-, ponieważ zwinięty drut może zginać się i rozszerzać niezależnie od powłoki z PFA, aby dostosować się do zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej bez generowania znacznych napięć międzyfazowych. Konstrukcja odlewu- powoduje, że element metalowy jest sztywno związany z PFA, co powoduje rozwarstwianie i pękanie przy szybkich wahaniach temperatury. W przypadku zastosowań, w których występują regularne zmiany temperatury (codziennie lub wiele cykli dziennie), należy wybrać drut zwinięty. Odlewanie-jest w porządku, a koszty są niższe w przypadku ciągłej, stabilnej pracy. Odlewane-grzejniki giną w wyniku szoku termicznego. Cewka drutu przetrwała. A jeśli nie jesteś pewien, zawiń go. Jest trwalszy.