Quines són les propietats d'aïllament elèctric del PTFE i per què són importants per als escalfadors d'immersió?

Si enganxeu un escalfador elèctric en un líquid conductor (com una solució d'àcid o sal), heu d'estar totalment aïllats elèctricament. Qualsevol corrent de fuita pot crear defectes de revestiment, corrosió de corrent dispers o perills de xoc per al personal. Les excel·lents qualitats d'aïllament elèctric del PTFE ofereixen aquesta barrera vital. Sense una coberta aïllant fiable, l'escalfador d'immersió en si és una font de contaminació del procés i perill de seguretat. La rigidesa dielèctrica és una característica bàsica per conèixer el funcionament dels escalfadors d'immersió d'aïllament elèctric de PTFE.

Què és la força dielèctrica i per què la necessitem?
La rigidesa dielèctrica és el camp elèctric més gran que pot suportar un material abans de trencar-se i convertir-se en conductor. Normalment s'indica en quilovolts per mil·límetre (kV/mm). Si el camp elèctric a través d'un aïllant supera la rigidesa dielèctrica d'aquest aïllant, els electrons són conduïts a través del material per formar un canal conductor. Això pot fallar immediatament i cataclísmicament.

La rigidesa dielèctrica a curt termini del PTFE és d'almenys 15 kV/mm. Aquesta xifra està molt per sobre de les tensions de funcionament mitjanes dels escalfadors d'immersió, que es troben en el rang de 110 V a 480 V AC. Fins i tot a 480 V el gruix d'aïllament necessari per evitar avaria és inferior a 0,05 mm si el material és correcte. A la pràctica les beines de PTFE es fabriquen amb un gruix d'1 a 3 mm i per tant s'aconsegueix un ampli marge de seguretat.

És important tenir en compte que el nombre de 15 kV/mm és per a exposició a curt termini, CC o CA extremadament curta. En funcionament continu de CA a freqüències de potència (50/60 Hz), la rigidesa dielèctrica-a llarg termini es redueix a causa de la descàrrega parcial i els efectes d'envelliment. Tanmateix, fins i tot les estimacions conservadores de la rigidesa dielèctrica de treball continu del PTFE només són de 4-6 kV/mm, molt que suficients per a les tensions típiques dels escalfadors.

Com el PTFE evita les fuites de corrent als banys conductors
Moltes de les aplicacions dels escalfadors d'immersió inclouen líquids altament conductors: solucions de galvanoplastia (níquel, coure, crom), banys d'anodització (àcid sulfúric o fosfòric) i solucions de decapat (àcid clorhídric o nítric). Aquests líquids tenen resistivitats tan baixes com uns ohms cm. Si hi ha alguna ruptura en l'aïllament de l'escalfador, hi haurà una connexió elèctrica directa del cable de resistència dins de l'escalfador al bany.

Per evitar aquestes fuites, un escalfador d'immersió d'aïllament elèctric de PTFE té tres propietats elèctriques importants:

Alta rigidesa dielèctrica - Impedeix l'avaria elèctrica a través del gruix de la funda.

Resistivitat de gran volum- No passa corrent pel material a granel.

Alta resistivitat superficial - Evita el seguiment del corrent a la superfície exterior, especialment en circumstàncies humides o contaminades.

El PTFE té una resistivitat de volum superior a 10^18 ohm-cm, un dels valors més alts de qualsevol material aïllant sòlid. Com a comparació, els aïllants típics com el niló tenen una resistivitat de volum d'aproximadament 10¹²–10¹⁴ ohm-cm. El PTFE té una resistivitat molt alta, per tant, fins i tot una capa molt fina de PTFE sense danys oferirà una resistència pràcticament il·limitada al pas de l'electricitat.

Què passa quan falla l'aïllament?
L'experiència de camp mostra que les repercussions de la fallada d'aïllament de PTFE rarament són subtils. Els forats, les fissures o els llocs prims de la funda poden fer que el corrent flueixi cap al bany. Es desenvolupen diverses dificultats diferents segons l'aplicació:

Falles de galvanoplastia - Un corrent dispersat de l'escalfador canvia la distribució de corrent a la peça de treball dels tancs de galvanoplastia. Això pot provocar un gruix desigual del dipòsit, desenvolupament nodular o dipòsits cremats.

Corrosió del corrent dispers - El corrent de fuga es desvia a terra per altres components metàl·lics dels intercanviadors de calor del tanc-, les parets del dipòsit o els bastidors. Això accelera la corrosió als punts de sortida actuals.

Perill de xoc per al personal - Si el bany està connectat a terra (com és habitual en moltes línies de revestiment), un corrent de fuga produeix un gradient de tensió al líquid. Si entreu en contacte amb la banyera i alguna cosa està connectada a terra, podeu rebre una descàrrega elèctrica.

Falla de l'escalfador abans del final de la seva vida útil - El corrent de fuga normalment produeix un escalfament localitzat a l'àrea de ruptura de l'aïllament que degrada encara més el PTFE i, finalment, crea un circuit obert o una fallada a terra.

De fet, el primer indici d'un aïllament insuficient sovint està relacionat amb el procés més que no pas amb l'escalfador. Els operadors de xapa sovint noten una mala qualitat del dipòsit abans que s'encengui qualsevol dispositiu de protecció elèctrica.

Aïllament de PTFE en comparació amb altres materials
El PTFE no és l'únic fluoropolímer emprat per a l'aïllament de l'escalfador d'immersió. El PFA (perfluoroalcoxi) i el FEP (etilè fluorat propilè) són químicament i elèctricament similars. No obstant això, el PTFE segueix sent el més sovint especificat per la seva combinació de rendiment elèctric, assequibilitat i disponibilitat. La taula següent presenta la rigidesa dielèctrica i la resistivitat de volum dels materials aïllants populars utilitzats en escalfadors d'immersió.

Material aïllant Resistència dielèctrica (kV/mm, curt termini) Resistència de volum (ohm{0}}cm) Temperatura màxima de servei continu (graus)
PTFE 15 – 20 > 10^18 260 PFA 15 – 20 > 10^18 260
FEP 15 – 20 > 10^18 200
ETFE 15 – 18 1016 – 1017 150
Polipropilè 18 – 22 (es degrada químicament) 10¹⁵ – 10¹⁷ 80 (en aigua)
Cautxú de silicona 14–20 1014–1015 180
Nota: Les rigideses dielèctriques són per a mostres netes i seques, mesurades al laboratori. Els resultats del món real es veuen afectats per la temperatura, la humitat i l'exposició a productes químics.

Curiosament, fins i tot si la rigidesa dielèctrica del polipropilè i l'ETFE és igual o fins i tot millor que el PTFE en condicions seques, no són resistents químicament, ni tenen una alta estabilitat tèrmica com el PTFE. Les úniques possibilitats realistes per als banys químics agressius a temperatures elevades són el PTFE i els seus parents fluoropolímers, PFA i FEP.

Per què l'alta rigidesa dielèctrica no és suficient
El PTFE té una rigidesa dielèctrica excel·lent superior o igual a 15 kV/mm, tot i que confiar-hi exclusivament per a la seguretat elèctrica seria incomplet. Els factors que afecten l'eficàcia efectiva de l'aïllament a la pràctica inclouen:

Temperatura - La rigidesa dielèctrica del PTFE disminueix amb l'augment de la temperatura. A 200 graus, es pot reduir a un 50-60% del valor de temperatura ambient.

Absorció d'humitat - El PTFE és hidròfob i gairebé no absorbeix aigua. Tanmateix, si hi ha contaminació o esquerdes superficials, la humitat pot formar canals conductors al voltant de l'aïllament a granel.

Danys mecànics - Les ratllades, l'abrasió o la flexió inadequada poden disminuir localment el gruix de la funda i, per tant, augmentar la tensió del camp elèctric.

Envelliment i descàrrega parcial - La descàrrega parcial en espais microscòpics degrada lentament el PTFE al llarg de molts anys de funcionament de CA, donant lloc a una rigidesa dielèctrica efectiva reduïda.

L'experiència de camp ha demostrat que la majoria de fallades d'aïllament en els escalfadors d'immersió de PTFE no són causades per una ruptura de tensió a través del material intacte. Més aviat s'originen per danys mecànics, atacs químics a les superfícies del segell o degradació per calor. L'elevada rigidesa dielèctrica del PTFE ofereix un bon marge de seguretat però no alleuja la necessitat d'una correcta manipulació, instal·lació i manteniment.

Funció de disseny del sistema: protecció de terra i GFCI
Fins i tot el millor disseny de l'escalfador d'immersió d'aïllament elèctric de PTFE pot tenir un defecte. Per tant, els mecanismes de protecció secundària s'han d'integrar en un disseny correcte del sistema:

Connexió a terra de l'equip - Les parts metàl·liques exteriors de l'escalfador (brida, suport de muntatge o cable de terra) s'han de connectar al sistema de connexió a terra de la instal·lació. Això proporciona un canal de baixa impedància de tornada a la font per a qualsevol corrent de fuga. Això fa que els dispositius de sobreintensitat funcionin.

Interruptor de circuit de falla a terra (GFCI) o protecció contra falla a terra - Els dispositius GFCI detecten desequilibris entre el corrent de la línia i el neutre de fins a 5-30 mA. La protecció contra fallades a terra és necessària a les zones humides com ara els tancs de revestiment per a la seguretat de les persones.

Periodic insulation resistance testing - Testing insulation resistance with a megohmmeter between the heater leads and ground (heater dry and de-energised) can detect insulation degradation before failure. Typical acceptable values are >1 megaohm per als escalfadors de baixa tensió, mentre que els nous escalfadors de PTFE sovint es troben a la regió del gigaohm.

És important entendre que cap aïllament és ideal i que tots els materials es degraden amb el temps. La connexió a terra i la protecció GFCI donen una segona capa de defensa que es manté efectiva fins i tot després que l'aïllament de PTFE es degrada.

Implicacions pràctiques per a l'elecció i el funcionament de l'escalfador
Les qualitats d'aïllament elèctric del PTFE tenen una influència directa en les opcions de disseny a l'hora de seleccionar un escalfador d'immersió per a un bany conductor:

Gruix de la funda Les beines gruixudes proporcionen una major rigidesa dielèctrica i resistència mecànica, menor transferència de calor. S'ha de trobar l'equilibri adequat en funció de la tensió de funcionament i de l'entorn químic.

Tensió nominal - Com més gran sigui la tensió, menor serà el corrent per a la mateixa potència de l'escalfador i menors són les pèrdues resistives als cables. Però com més gran és la tensió, més gran és la tensió de l'aïllament del camp elèctric. La majoria d'escalfadors d'immersió de PTFE tenen una classificació de 240 V o 480 V AC, i aquest últim necessita una atenció especial a la qualitat de la funda.

Intervals d'inspecció i substitució - Els banys amb alta conductivitat i química agressiva requereixen proves d'aïllament més regulars. Si la resistència d'aïllament està disminuint, haureu de planificar la substitució de l'escalfador.

De fet, molts operadors de tancs assumeixen que un escalfador amb funda de PTFE-és "invisible" elèctricament al bany. Això només és cert sempre que l'aïllament estigui sec i ininterromput. Qualsevol trencament, per minúscula que sigui, lliga de seguida el circuit elèctric de l'escalfador al bany.

Conclusió
El PTFE ofereix excel·lents capacitats d'aïllament elèctric, com ara una rigidesa dielèctrica d'almenys 15 kV/mm i una resistivitat de volum superior a 10^18 ohm-cm, que són importants per a una calefacció d'immersió segura i lliure de contaminació-. Aquestes qualitats limiten les fuites de corrent del cable de resistència interna als banys químics altament conductors, eliminant, per tant, defectes de revestiment, corrosió de corrent dispers i perills de xoc.

Però les bones qualitats materials no tenen sentit de la seguretat. L'escalfador d'immersió d'aïllament elèctric de PTFE es basa en el gruix correcte de la funda, una fabricació acurada per evitar forats i una instal·lació correcta per evitar danys mecànics. No existeix un aïllament infal·lible, de manera que la connexió a terra i la protecció de fallades a terra són parts crucials de cada sistema de calefacció per immersió.

La seguretat elèctrica en ambients humits és una qüestió de bons materials i un disseny adequat del sistema. El PTFE és la primera línia de defensa: una barrera elèctrica molt forta. El segon és mitjançant mecanismes de protecció secundaris. En conjunt, permeten que els escalfadors d'immersió funcionin de manera fiable durant anys en algunes de les condicions químiques i elèctriques més difícils de la indústria.