Kemijska tvornica usporedila je dva PTFE uronjena grijača od 4 kW u identičnom radu. Oba su ocijenjena za isti napon i gustoću vata. Jedan je koristio standardno punilo od magnezijevog oksida. Drugi je koristio punilo -pojačano aluminijevim oksidom. Grijač ispunjen aluminijevim oksidom radio je s temperaturom omotača 8-12 stupnjeva nižom pri istoj izlaznoj snazi i trajao je gotovo dvostruko dulje prije nego što je izolacijski otpor opao. Razlika nije bila u PTFE omotaču. Bilo je ono što je bilo unutra.
Unutarnje punilo u uronjenom grijaču ima dvije svrhe: električno izolira otporni element od metalnog omotača i provodi toplinu od elementa do omotača. Magnezijev oksid je standardno punilo desetljećima jer je jeftin, ima dobru dielektričnu čvrstoću i podnosi visoke temperature. Ali toplinska vodljivost MgO-od približno 30-40 W/m·K kada je gusto zbijen-nije najveća dostupna. Aluminijev oksid nudi veću vodljivost, a njegovo miješanje s MgO poboljšava prijenos topline bez žrtvovanja električne izolacije.
Toplinski put unutar PTFE grijača
Toplina koju stvara otporna žica mora prijeći tri sloja prije nego što dođe do procesne tekućine: MgO ili aluminijevo punilo, metalni omotač unutarnjeg elementa i PTFE vanjski omotač. PTFE stijenka je najveća toplinska barijera, ali punilo doprinosi mjerljivoj otpornosti.
Za tipičan element s promjerom od 6 mm i prstenom za punjenje od 1,5 mm, pad temperature preko MgO od 1,2 W/cm² je približno 8-12 stupnjeva. Pad preko PTFE zida je 12-18 stupnjeva. Pad preko konvektivnog graničnog sloja je 10-20 stupnjeva. Ukupni razmak između omotača-i-zapremine: 30–50 stupnjeva.
Zamjena MgO punilom s-aluminijevim oksidom smanjuje doprinos punila za 30–50%. Ukupni razmak pada za 3-6 stupnjeva. To se smanjenje može činiti malim, ali izravno se pretvara u nižu temperaturu omotača-, a niža temperatura omotača znači sporije prodiranje, sporije taloženje kamenca i duži vijek trajanja.
| Materijal za punjenje | Toplinska vodljivost | ΔT punila pri 1,2 W/cm² | Ukupni omotač ΔT | Relativni vijek trajanja |
|---|---|---|---|---|
| Standardni MgO | 30–35 W/m·K | 10-12 stupnjeva | 38-48 stupnjeva | Osnovna linija |
| MgO visoke-gustoće | 35–40 W/m·K | 8-10 stupnjeva | 35-44 stupnja | 1.1–1.2× |
| MgO-poboljšan aluminijevim oksidom | 40–50 W/m·K | 6-8 stupnjeva | 32-40 stupnjeva | 1.3–1.5× |
| Visoko{0}}aluminijski oksid | 50–60 W/m·K | 5-7 stupnjeva | 30-38 stupnjeva | 1.4–1.6× |
Toplinska vodljivost punila i njezin utjecaj na temperaturu i vijek trajanja plašta
Zašto glinica provodi toplinu bolje od MgO
Glinica (Al₂O₃) ima toplinsku vodljivost od 30-35 W/m·K u svom čistom kristalnom obliku, slično MgO. Ali punilo koje se koristi u grijaćim elementima nije pojedinačni kristal-već je zbijeni prah. Efektivna toplinska vodljivost ovisi o veličini čestica, gustoći pakiranja i kontaktu između čestica.
Čestice glinice su tvrđe i uglatije od čestica MgO. Pakiraju se gušće i stvaraju više kontaktnih točaka između susjednih čestica. Više kontaktnih točaka znači više putova protoka topline. Rezultat je veća efektivna toplinska vodljivost u zbijenom punilu.
Glinica također ima bolju dielektričnu čvrstoću na visokim temperaturama od MgO. To omogućuje gušće zbijanje punila bez opasnosti od električnog kvara, što dodatno poboljšava toplinsku vodljivost.
| Svojstvo punila | MgO | Aluminij-poboljšan | Čisti aluminij |
|---|---|---|---|
| Tvrdoća čestica | Umjereno | visoko | Vrlo visoko |
| Gustoća pakiranja | 2,8–3,1 g/cm³ | 3,0–3,3 g/cm³ | 3,2–3,5 g/cm³ |
| Dielektrična čvrstoća | 15–20 kV/mm | 18–22 kV/mm | 20–25 kV/mm |
| Apsorpcija vlage | Higroskopno | Umjereno | Niska |
| Relativni trošak | Niska | Umjereno | viši |
Usporedba svojstava punila za elemente uronjenog grijača
Učinak na temperaturu plašta i radni vijek
Smanjenje temperature plašta od 5 do 10 stupnjeva možda ne zvuči značajno, ali ima neproporcionalan učinak na vijek trajanja. Propuštanje i kemijski napad se toplinski aktiviraju. Svakih 10 stupnjeva smanjenja temperature omotača otprilike prepolovljuje brzinu propusnosti. Tijekom višemjesečnog rada, to se smanjenje pretvara u znatno produljenje životnog vijeka.
Učinak na taloženje kamenca je sličan. Kamenac se prvenstveno stvara na vrućim površinama. Grijač koji radi na 8 stupnjeva hladnjaka nakuplja kamenac sporije, produžujući interval između potrebnih čišćenja i smanjujući rizik od stvaranja vrućih točaka ispod naslaga.
| Smanjenje temperature plašta | Promjena stope prodiranja | Promjena stope taloženja kamenca | Očekivano produženje radnog vijeka |
|---|---|---|---|
| 3 stupanj | 20% niže | 10–15% niže | 15–25% |
| 5 stupnjeva | 30% niže | 15–25% niže | 25–40% |
| 8 stupnjeva | 45% niže | 25–35% niže | 40–60% |
| 12 stupnjeva | 60% niže | 35–50% niže | 60–90% |
Učinak smanjenja temperature plašta na propusnost, stvaranje kamenca i vijek trajanja
Otpornost na vlagu i dielektrična stabilnost
Punila s-aluminij-oksidom također nude bolju otpornost na vlagu od standardnog MgO. MgO je higroskopan-on upija vlagu iz zraka i iz procesnih tekućina koje prožimaju PTFE omotač. Glinica upija manje vlage i bolje zadržava svoju dielektričnu čvrstoću u vlažnom okruženju.
Ovo je osobito važno kod PTFE grijača, gdje je omotač jedina prepreka između procesne tekućine i punila. Ako vlaga dospije u punilo, izolacijski otpor opada. Punilo koje je otporno na upijanje vlage dulje održava višu otpornost izolacije, produžujući vrijeme prije nego što dođe do kvara na zemlji.
Kada su punila-poboljšana glinicom vrijedna cijene
Punila s -aluminij-oksidom povećavaju cijenu grijaćeg elementa za 10–20%. Prednost-duži životni vijek i niža temperatura plašta-opravdava trošak u zahtjevnim primjenama gdje je zamjena grijača skupa ili ometa.
U blagoj upotrebi-niska temperatura, niska viskoznost, čiste tekućine-korist je manja i standardno MgO punjenje može biti odgovarajuće. U agresivnom radu-visoka temperatura, viskozne tekućine,-kemijske tvari koje stvaraju kamenac-aluminij-poboljšano punilo donosi mjerljiva poboljšanja.
| Primjena | Standardni MgO | Aluminij-poboljšan | Preporuka |
|---|---|---|---|
| ispiranje vodom,<60°C | Adekvatan | Granična korist | Standardni MgO |
| Prekrivanje kiselinom, 60–70 stupnjeva | Prihvatljiv | Umjerena korist | Poboljšan-aluminij |
| Niklavanje, 55 stupnjeva | Marginalni | Dobra korist | Poboljšan-aluminij |
| Bezelektrični nikal, 88 stupnjeva | Jadno | Značajna korist | Poboljšan-aluminij |
| Kromna kiselina, 60 stupnjeva | Marginalni | Dobra korist | Poboljšan-aluminij |
Preporuke za odabir punila prema primjeni
Kada izbor punila nije dovoljan
Punilo je jedna komponenta toplinskog puta. Čak ni najbolje punilo ne može nadoknaditi PTFE omotač koji je predebeo, gustoću vata koja je previsoka ili stanje protoka koje je premalo. Poboljšanje punila je postepeno-smanjuje temperaturu omotača za nekoliko stupnjeva, a ne za desetke stupnjeva.
U primjenama gdje je temperatura plašta daleko iznad sigurnog raspona, rješenje je smanjiti gustoću vata, poboljšati protok ili povećati površinu. Izbor punila je usavršavanje, a ne popravak.
Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača kombinira aluminij{0}}poboljšana punila s niskom gustoćom u vatima, velikom površinom i poboljšanim pristupom protoku kako bi se smanjila temperatura plašta na više frontova. Proces specifikacije zahtijeva kemijski sastav kupke, radnu temperaturu, uvjete protoka i potrebnu snagu u vatima. Za objekte sa zahtjevnom primjenom, ova kombinacija pruža najduži radni vijek.
