Per què un escalfador PFA amb un element de filferro enrotllat és més resistent al xoc tèrmic que un model-de disseny?

El xoc tèrmic, com ara la immersió ràpida d'un escalfador calent en un líquid fred o un cicle de potència ràpid, provoca grans gradients de temperatura a la funda de PFA. El compliment mecànic de l'element en espiral i la generació de calor dispersa donen a l'escalfador de l'element de filferro enrotllat (filferro de resistència enrotllat al voltant d'un mandril, encapsulat en PFA) un avantatge sobre un disseny-cast (element de calefacció metàl·lic colat directament en un bloc de PFA) en el rendiment del xoc tèrmic. El cable s'enrotlla en una bobina i es pot flexionar i expandir independentment de la funda de PFA per absorbir càrregues d'expansió diferencials. La colada-in té un element de metall dur adherit directament al PFA. El metall i el PFA tenen coeficients d'expansió tèrmica molt diferents (CTE: metall 14-17 ppm/grau, PFA 110-120 ppm/grau). El contacte rígid crea tensió en un punt quan la temperatura canvia ràpidament. Es produeix delaminació o esquerdament. Els resultats de camp de les proves de cicle tèrmic revelen que els escalfadors de filferro enrotllat suporten entre 5 i 10 cicles de xoc tèrmic més que els dispositius colats de potència equivalent.

Com resisteix el xoc tèrmic?
En un escalfador de filferro enrotllat, el cable de resistència no està unit al PFA. Està incrustat en un nucli ceràmic o metàl·lic, que està recobert de PFA. La bobina és lliure d'expandir-se i contraure's radial i axialment amb les variacions de temperatura. El cable té un CTE 6x més baix que la funda, per tant, la funda PFA s'expandeix més que el cable, però les bobines del cable s'obren una mica (el pas augmenta) per gestionar la discrepància. El contacte entre el cable i el PFA troba molt poca tensió de cisalla, amb el PFA capaç de flexionar-se al voltant del cable sense limitacions.

Un disseny-cast encapsula completament l'element escalfador metàl·lic (normalment una vareta recta o un tub en forma d'U-) en PFA. El metall està unit al PFA. En cas de canvi ràpid de temperatura, el PFA s'expandeix 6 vegades més ràpid que el metall. Com que el metall és dur i connectat, el PFA no pot expandir-se lliurement-s'estira al voltant del metall. La tensió de tracció que resulta en el contacte del metall-PFA pot arribar a ser de 5-10 MPa per a un xoc tèrmic de 100 graus. El PFA té una resistència a la tracció de 12-15 MPa, però una força d'unió al metall de 2-5 MPa. Separa la interfície per crear un buit. La humitat entra a la bretxa i els xocs de calor que l'acompanyen fan que el PFA es trenqui.

Cicles de xoc tèrmic: comparació quantitativa
Tipus d'escalfador Temperatura de construcció Xoc (ΔT) Cicles fins al mode d'error de delaminació/esquerdament Filferro enrotllat, 2 mm PFA Filferro enrotllat sobre nucli de ceràmica 100 graus (150 graus a 50 graus) 5.000–10.000 Fatiga gradual (el cable pot trencar-se primer)
Wire, PFA, 2 mm, coiled Same 50°C >20.000 danys mínims
Vareta recta, fosa-inPFA Vareta de metall fosa 100 graus 500–2000Metal-Deslaminació PFA a la interfície
Tub de metall plegat colat en PTFE de 100 graus 200–1.000 Radi interior d'esquerdament de corba-en forma d'U
Capa adhesiva fosa-en metall + imprimació + PFA 100 graus 1.000-3.000 Falla de l'adhesiu (pelades de la imprimació)
Filferro enrotllat, funda gruixuda (3 mm PFA) Filferro enrotllat PFA gruixut 100 graus 8.000–15.000A millor funda fina
Ranura d'expansió de nucli metàl·lic Cast-en nucli metàl·lic amb un espai de 100 graus 2.000-4.000 Millora però encara menys que enrotllat
Per què els dissenys de llançament-en fracassen sota un xoc tèrmic
El model-en disseny és susceptible a causa de l'enorme àrea d'unió entre el metall i el PFA. Per a una vareta metàl·lica d'1 m de longitud i 10 mm de diàmetre fosa en PFA, l'àrea de la superfície unida és π x 10 x 1,000=31,400 mm2. Tot el desajust en l'expansió per a 100 graus és ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6) × 1000 × 100=11 mm. El PFA vol estendre's 11 mm més que el metall. Com que estan lligats, el PFA s'estira elàsticament i genera estrès. L'esforç de cisalla a la interfície és τ=G × ΔL / t, on G és el mòdul de cisalla i t és el gruix de PFA. Per a t=5 mm G≈200 MPa τ=200 × 11 / 5=440 MPa impossible. En el cas real, el PFA provoca una delaminació a la interfície. La tensió es concentra als extrems de la vareta metàl·lica (on el desajust és més gran), i es formen esquerdes i creixen cap a dins.

Els escalfadors de filferro enrotllat no tenen una interfície unida tan gran. El cable contacta amb el PFA només en punts localitzats (el diàmetre exterior de les bobines). L'àrea de contacte total és mínima (10-20% de l'àrea-de llançament). Els contactes no estan units (el cable pot lliscar). El moviment del cable, no l'estirament de PFA, s'adapta al desajust d'expansió.

Implicacions pràctiques per a l'elecció
Per a aplicacions on el cicle tèrmic és freqüent (inici/parada diari, processos per lots o cicles de neteja per xoc tèrmic), s'ha d'especificar un escalfador de filferro enrotllat PFA. Els escalfadors col·locats-són adequats i normalment són menys costosos per a aplicacions-en estat estacionari (funcionament continu, sense cicles).

Ideal per a: reactors per lots, línies de revestiment que s'apaguen diàriament, cicles de congelació-descongelació, neteja per xoc tèrmic (immersió de l'escalfador en líquid fred), escalfadors portàtils.

Fundició-adequat per a: processament químic continu, escalfament d'aigua les 24 hores del dia, els 7 dies del dia, escalfadors d'espera, aplicacions no-ciclistes.

Els escalfadors de filferro enrotllat solen ser un 20-40% més cars que els colats-a causa del bobinat i la construcció més complexos. Premium es justifica per una vida útil prolongada sota el cicle tèrmic. Un escalfador encastat que es trenca després de 500 cicles (6 mesos de cicle diari) es pot substituir 5 vegades en 2,5 anys; un escalfador de filferro enrotllat pot durar tota la durada amb un reemplaçament.

Prova de camp
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 cicles). Cost anticipat addicional (30% de prima) reemborsat en 6 mesos mitjançant una menor mà d'obra de substitució i temps d'inactivitat.

Conclusió: el cable enrotllat és 5-10 vegades més resistent al xoc tèrmic
L'escalfador de PFA amb element de filferro enrotllat és molt més resistent al xoc tèrmic que un model{0}}de disseny perquè el cable enrotllat es pot doblegar i expandir independentment de la funda de PFA per adaptar-se a l'expansió tèrmica diferencial sense generar tensions interfacials substancials. El disseny-de fosa fa que l'element metàl·lic s'uneixi rígidament al PFA, la qual cosa provoca una delaminació i trencament amb fluctuacions ràpides de temperatura. Per a aplicacions que experimenten cicles de temperatura regulars (diari o molts cicles per dia), especifiqueu cable enrotllat. L'entrada-està bé i té un cost reduït per a un funcionament continu i en estat estacionari. El xoc tèrmic mata-en els escalfadors. La bobina de filferro sobreviu. I si no n'esteu segur, emboliqueu-lo. És més durador.