یک کارخانه مواد شیمیایی دو بخاری غوطه‌وری PTFE 4 کیلوواتی را در خدمات یکسان مقایسه کرد. هر دو برای ولتاژ و چگالی وات یکسان رتبه بندی شدند. یکی از پرکننده های استاندارد اکسید منیزیم استفاده شده است. دیگری از پرکننده تقویت‌شده آلومینا{4}}استفاده می‌کرد. بخاری پر از آلومینا با دمای غلاف 8 تا 12 درجه کمتر در همان توان خروجی کار می‌کرد و تقریباً دو برابر بیشتر دوام می‌آورد تا اینکه مقاومت عایق کاهش یابد. تفاوت غلاف PTFE نبود. همان چیزی بود که درون آن بود.
پرکننده داخلی در یک هیتر غوطه وری دو هدف را انجام می دهد: عنصر مقاومت را از غلاف فلزی عایق الکتریکی می کند و گرما را از المنت به غلاف هدایت می کند. اکسید منیزیم برای چندین دهه پرکننده استاندارد بوده است، زیرا ارزان است، استحکام دی الکتریک خوبی دارد و دماهای بالا را تحمل می کند. اما هدایت حرارتی MgO-تقریباً 30 تا 40 W/m·K هنگامی که متراکم تراکم می شود- بالاترین میزان موجود نیست. آلومینا رسانایی بالاتری را ارائه می دهد و ترکیب آن با MgO انتقال حرارت را بدون از بین بردن عایق الکتریکی بهبود می بخشد.
مسیر حرارتی داخل بخاری PTFE
گرمای تولید شده توسط سیم مقاومت قبل از رسیدن به سیال فرآیند باید از سه لایه عبور کند: پرکننده MgO یا آلومینا، غلاف فلزی عنصر داخلی و غلاف بیرونی PTFE. دیوار PTFE بزرگترین مانع حرارتی است، اما پرکننده مقاومت قابل اندازه گیری دارد.
برای یک عنصر معمولی با قطر 6 میلی متر و یک حلقه پرکننده 1.5 میلی متر، افت دما در سراسر MgO در 1.2 W/cm² تقریباً 8-12 درجه است. افت در سراسر دیوار PTFE 12-18 درجه است. افت در سراسر لایه مرزی همرفتی 10-20 درجه است. کل غلاف{12}}تا-شکاف توده: 30–50 درجه.
جایگزینی MgO با یک پرکننده تقویت‌شده آلومینا، سهم پرکننده را 30 تا 50% کاهش می‌دهد. فاصله کل 3-6 درجه کاهش می یابد. این کاهش ممکن است کوچک به نظر برسد، اما مستقیماً به دمای غلاف پایین‌تر ترجمه می‌شود-و دمای غلاف پایین‌تر به معنای نفوذ کندتر، رسوب آهسته‌تر مقیاس و عمر طولانی‌تر است.
| مواد پرکننده | هدایت حرارتی | پرکننده ΔT در 1.2 W/cm² | کل غلاف ΔT | عمر خدمات نسبی |
|---|---|---|---|---|
| استاندارد MgO | 30–35 W/m·K | 10-12 درجه | 38-48 درجه | خط مبنا |
| MgO-چگالی بالا | 35–40 W/m·K | 8-10 درجه | 35-44 درجه | 1.1–1.2× |
| آلومینا{0}}MgO را افزایش داد | 40–50 W/m·K | 6-8 درجه | 32-40 درجه | 1.3–1.5× |
| آلومینا-با خلوص بالا | 50–60 W/m·K | 5-7 درجه | 30-38 درجه | 1.4–1.6× |
هدایت حرارتی پرکننده و تأثیر آن بر دمای غلاف و عمر مفید
چرا آلومینا گرما را بهتر از MgO هدایت می کند؟
آلومینا (Al2O3) دارای رسانایی حرارتی 30-35 W/m·K در شکل کریستالی خالص آن، مشابه MgO است. اما پرکننده مورد استفاده در عناصر گرمایشی یک کریستال نیست- بلکه یک پودر فشرده است. هدایت حرارتی موثر به اندازه ذرات، چگالی بسته بندی و تماس بین ذرات بستگی دارد.
ذرات آلومینا سخت تر و زاویه دارتر از ذرات MgO هستند. آنها متراکم تر بسته می شوند و نقاط تماس بیشتری بین ذرات مجاور ایجاد می کنند. نقاط تماس بیشتر به معنای مسیرهای بیشتر برای جریان گرما است. نتیجه هدایت حرارتی موثر بالاتر در پرکننده فشرده است.
آلومینا همچنین در دماهای بالا استحکام دی الکتریک بهتری نسبت به MgO دارد. این اجازه می دهد تا پرکننده متراکم تر بدون خطر خرابی الکتریکی فشرده شود، که باعث بهبود بیشتر هدایت حرارتی می شود.
| ویژگی پرکننده | MgO | آلومینا-افزایش یافته | آلومینا خالص |
|---|---|---|---|
| سختی ذرات | متوسط | بالا | خیلی بالا |
| تراکم بسته بندی | 2.8-3.1 g/cm³ | 3.0-3.3 گرم بر سانتی متر مکعب | 3.2-3.5 g/cm³ |
| قدرت دی الکتریک | 15-20 کیلو ولت بر میلی متر | 18-22 کیلوولت بر میلی متر | 20-25 کیلو ولت بر میلی متر |
| جذب رطوبت | هیگروسکوپیک | متوسط | پایین |
| هزینه نسبی | پایین | متوسط | بالاتر |
مقایسه خواص مواد پرکننده برای عناصر هیتر غوطه وری
تأثیر بر دمای غلاف و عمر سرویس
کاهش 5 تا 10 درجه ای در دمای غلاف ممکن است قابل توجه به نظر نرسد، اما تأثیر نامتناسبی بر عمر مفید دارد. نفوذ و حمله شیمیایی از نظر حرارتی فعال می شوند. هر 10 درجه کاهش در دمای غلاف تقریباً میزان نفوذ را به نصف کاهش می دهد. در طول ماه‌ها کارکرد، این کاهش به افزایش قابل توجهی از عمر مفید تبدیل می‌شود.
اثر بر رسوب مقیاس مشابه است. پوسته ترجیحاً روی سطوح داغ شکل می گیرد. یک بخاری که خنک‌کننده 8 درجه کار می‌کند، رسوب را آهسته‌تر جمع می‌کند و فاصله بین تمیز کردن مورد نیاز را افزایش می‌دهد و خطر ایجاد نقاط داغ در زیر رسوب را کاهش می‌دهد.
| کاهش دمای غلاف | تغییر نرخ نفوذ | تغییر نرخ رسوب مقیاس | تمدید طول عمر مورد انتظار |
|---|---|---|---|
| 3 درجه | 20 درصد کمتر | 10 تا 15 درصد کمتر | 15–25% |
| 5 درجه | 30 درصد کمتر | 15-25٪ کمتر | 25–40% |
| 8 درجه | 45 درصد کمتر | 25-35٪ کمتر | 40–60% |
| 12 درجه | 60 درصد کمتر | 35 تا 50 درصد کمتر | 60–90% |
تأثیر کاهش دمای غلاف بر نفوذ، پوسته پوسته شدن و عمر مفید
مقاومت در برابر رطوبت و پایداری دی الکتریک
پرکننده‌های تقویت‌شده آلومینا نسبت به MgO استاندارد مقاومت بیشتری در برابر رطوبت دارند. MgO رطوبت سنجی است{2}}این رطوبت را از هوا و مایعات فرآیندی که در غلاف PTFE نفوذ می کنند جذب می کند. آلومینا رطوبت کمتری را جذب می کند و قدرت دی الکتریک خود را بهتر در محیط های مرطوب حفظ می کند.
این امر به ویژه در بخاری های PTFE مهم است، جایی که غلاف تنها مانع بین سیال فرآیند و پرکننده است. اگر رطوبت به پرکننده برسد، مقاومت عایق کاهش می یابد. پرکننده‌ای که در برابر جذب رطوبت مقاومت می‌کند، مقاومت عایق بالاتری را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کند و زمان قبل از وقوع خطای زمین را افزایش می‌دهد.
وقتی پرکننده‌های تقویت‌شده آلومینا ارزش هزینه را دارند
پرکننده‌های تقویت‌شده آلومینا 10 تا 20 درصد به هزینه المنت گرمایشی اضافه می‌کنند. مزیت-عمر بیشتر و دمای غلاف پایین‌تر-هزینه را در برنامه‌های پرتقاضا که جایگزینی بخاری گران یا مخرب است توجیه می‌کند.
در سرویس ملایم-دمای پایین، ویسکوزیته کم، مایعات تمیز-مزایای آن کمتر است و پرکننده استاندارد MgO ممکن است کافی باشد. در سرویس تهاجمی-درجه حرارت بالا، سیالات چسبناک، مقیاس-شیمی تشکیل‌دهنده-پرکننده تقویت‌شده آلومینا{6}}بهبود قابل اندازه‌گیری را ارائه می‌دهد.
| برنامه | استاندارد MgO | آلومینا-افزایش یافته | توصیه |
|---|---|---|---|
| آبکشی،<60°C | کافی است | سود حاشیه ای | استاندارد MgO |
| آبکاری اسید، 60-70 درجه | قابل قبول | سود متوسط | آلومینا-افزایش یافته است |
| آبکاری نیکل 55 درجه | حاشیه ای | سود خوب | آلومینا-افزایش یافته است |
| نیکل الکترولس، 88 درجه | بیچاره | سود قابل توجه | آلومینا-افزایش یافته است |
| اسید کرومیک 60 درجه | حاشیه ای | سود خوب | آلومینا-افزایش یافته است |
توصیه های انتخاب پرکننده بر اساس برنامه
وقتی انتخاب فیلر کافی نیست
پرکننده یکی از اجزای مسیر حرارتی است. حتی بهترین پرکننده نیز نمی تواند غلاف PTFE خیلی ضخیم، چگالی وات خیلی زیاد یا شرایط جریان خیلی کم را جبران کند. بهبود پرکننده تدریجی است- دمای غلاف را چند درجه کاهش می‌دهد، نه ده‌ها درجه.
در کاربردهایی که دمای غلاف بسیار بالاتر از محدوده ایمن است، راه حل کاهش چگالی وات، بهبود جریان یا افزایش سطح است. انتخاب پرکننده یک اصلاح است، نه یک اصلاح.
یک پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE، پرکننده‌های تقویت‌شده آلومینا{0}}را با چگالی وات کم، مساحت سطح بالا و دسترسی جریان بهبود یافته ترکیب می‌کند تا دمای غلاف را در چند جبهه کاهش دهد. فرآیند مشخصات به شیمی حمام، دمای عملیاتی، شرایط جریان و وات مورد نیاز نیاز دارد. برای امکاناتی با کاربردهای سخت، این ترکیب طولانی ترین عمر سرویس را ارائه می دهد.
