A nagy-vákuumfolyamatok (<0,01 bar abszolút nyomás) nagy nyomáskülönbséget hoznak létre a PFA-köpenyben: 1 bar külső légköri nyomás nyomódik befelé, közel -vákuum a tartályban. Egy szabványos PFA-fűtő esetében a fémmag és a PFA-hüvely közötti belső gyűrű alakú rés atmoszférikus nyomású (1 bar), mivel nincs szigetelve a környezettől. Vákuumos működés közben a burkolat körülbelül 0,99 bar nettó belső nyomást fejt ki. A keletkező karikafeszültség nyomó, nem húzó. A PFA kompressziója erősebb, mint a feszültség, de az elsődleges meghibásodási mód a vékony falú cső kihajlása vagy összeomlása. Egy 25 mm-es külső átmérőjű, 2 mm-es falú PFA-cső esetén az összeomlás kritikus külső nyomása körülbelül 2-3 bar. Az 1 bar különbség ez alatt van, így szobahőmérsékleten nem következik be összeomlás. Magas hőmérsékleten (80-150 fok) azonban a PFA modulusa 50-70%-kal csökken, és a kritikus összeomlási nyomás 1 bar alá is csökkenhet. A nyomással{25}}kompenzált kialakítás-, ahol a belső gyűrű alakú rés száraz nitrogénnel van nyomás alá helyezve, hogy megfeleljen a külső vákuumnak,{27}}megakadályozza az összeomlást. Ez a kialakítás 80 fok feletti vákuumos eljárásokhoz ajánlott.
Összeomlási mechanizmus és kritikus nyomás
A vékony falú cső kritikus külső nyomását a P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³ adja meg, ahol E a Young-modulus, ν a Poisson-hányados (PFA esetén 0,45), t a falvastagság és D az átlagos átmérő. 20 fokon, E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1 200 / 0,7975) {7 2 × 5,0,0 0.000658=0.99 sáv. 20 fokon a kritikus nyomás körülbelül 1 bar{29}}marginális. Bármilyen tökéletlenség csökkenti. 100 fokon az E 250 MPa-ra csökken. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 bar. Egy szabványos PFA cső 100 fokban összeesik 0,41 bar vákuum alatt. Mivel a tényleges különbség 0,99 bar, az összeomlás biztos. Helyszíni bizonyítékok: A 80–120 fokos vákuum-eljárás során a PFA-melegítők gyakran összeesett burkolatokat mutatnak{50}}a PFA a fémmaghoz simul, néha körbefutó ráncokkal. Az összeomlás nem okoz azonnal elektromos meghibásodást, de nagy maradékfeszültséget hoz létre, és megrepedhet a PFA a későbbi hőciklus során.
Nyomáskompenzált tervezés
A nyomáskompenzált PFA-fűtő-a fémmag és a PFA-köpeny között tömített gyűrű alakú rés van. A gyártás során a rést kiürítik és száraz nitrogénnel visszatöltik 0,5-1,0 bar abszolút nyomásig. Egy kis nyomásszabályozó vagy egy egyszeri tömítés (pl. préselt fémcső) tartja fenn a belső nyomást. Ha a fűtőtestet vákuumkamrába helyezik (pl. 0,01 bar), a belső nyomás (mondjuk 0,8 bar) csak 0,79 bar különbséget hoz létre kifelé (belülről kifelé), befelé nem. A PFA-hüvely húzógyűrűs feszültséget tapasztal, nem nyomódik. A húzófeszültség nem okoz összeomlást. A szakadáshoz szükséges kritikus külső nyomás sokkal nagyobb (10-20 bar). A fűtőelem stabil marad.
A nyomással{0}}kompenzált kialakításnak két kihívása van: (1) A tömítést a fűtőberendezés élettartama alatt fenn kell tartani, beleértve a hőciklust is. A fém-–-PFA tömítések (kompressziós szerelvények) idővel hajlamosak szivárogni. Megbízhatóbb a hegesztett fém membrános tömítés vagy az üveg-fém tömítés{7}}. (2) A belső nyomás a hőmérséklettel nő (PV=nRT). A 0,8 bar nyomással töltött fűtőtest 20 fokon eléri az 1,2 bar-t 150 fokon. A PFA-nak ki kell bírnia ezt a további karikafeszültséget. 2 mm-es falnál, 25 mm-es külső átmérőjű, 1,2 bar belső nyomás esetén a karikafeszültség=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-elhanyagolható.
Összeomlás megelőzés összehasonlítása
| Fűtőberendezés tervezése | Belső résnyomás (bár abs) | Külső vákuum (bar abs) | Nettó differenciál (bar) | Irány | Összeomlik 20 fokban? | Összeomlik 100 fokban? | Alkalmas nagyvákuumhoz? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Normál (szellőztetett) | 1.0 | 0.01 | 0,99 befelé | Kompresszív | Nem (marginális) | Igen (összeomlás) | Nem (50 fok felett) |
| Normál (szellőztetett) vastag falú (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 befelé | Kompresszív | Nem | Nem (P_crit=1.4 sáv 100 fokban) | Igen, de nehéz és rossz hőátadás |
| Nyomás{0}}kompenzált (zárt, 0,5 bar töltés) | 0.5 | 0.01 | 0,49 kifelé | Szakító | Nem | Nem | Igen (minden hőmérsékleten) |
| Nyomás{0}}kompenzált (zárt, 0,8 bar töltés) | 0.8 | 0.01 | 0,79 kifelé | Szakító | Nem | Nem | Igen (standard kivitel) |
| Nyomás-kompenzálva vákuumreferenciával | 1.0 (szabályozva, hogy megfeleljen a külsőnek) | 0.01 | 0 (kiegyensúlyozott) | Egyik sem | Nem | Nem | Ideális (összetett) |
| Dupla{0}}fal (PFA a fémmag felett, nincs rés) | N/A (nincs rés) | N/A | N/A | N/A | Nem | Nem | Igen (a mag támogatja a PFA-t) |
Alkalmazási útmutató vákuumos eljárásokhoz
50 fok alatti vákuumfolyamatokhoz szabványos PFA-fűtő (2 mm-es fal) elfogadható, mivel az E magas marad (≈ 500 MPa), és a P_crit ≈ 0,8 bar{5}}még mindig a 0,99 bar különbség alatt van? Valójában 0,8 < 0,99, tehát az összeomlás továbbra is lehetséges. A margó kicsi. A megbízhatóság érdekében használjon 0,1 bar alatti vákuum esetén{11}}kompenzált nyomást.
Az 50 fok feletti vákuumos folyamatokhoz nyomáskompenzált fűtőelem szükséges. Kompenzáció nélkül órákon vagy napokon belül biztos az összeomlás. Az összeomlás tünetei: (1) A fűtőtest laposnak tűnik vagy ráncos; (2) A szigetelési ellenállás csökken, amikor a PFA megreped; (3) A fűtőelem nagyobb áramot vesz fel (a mag keresztmetszete-csökkent? Nem valószínű). Az összeomlott fűtőtesteket azonnal cserélje ki.
150 fok feletti vákuumfolyamatoknál előfordulhat, hogy az egyenletes nyomáskompenzált PFA nem elegendő a kúszás miatt. 150 fokos, E=150 MPa hőmérsékleten a PFA továbbra is képes fenntartani a kifelé irányuló nyomást, de az idő múlásával történő kúszás a burkolat ballonosodást okozhat. Használjon kettős-falú kialakítást, ahol a PFA-t egy perforált fémcső tartja. A fémcső hordozza a nyomásterhelést; a PFA vegyszerállóságot biztosít.
Mezőpélda
Egy félvezető vákuumszárító kamra 120 fokon, 0,01 bar nyomáson üzemelt. A szabványos PFA fűtőtestek 2 hónapon belül összeomlottak, ráncos burkolatot mutatva. Az üzem nyomáskompenzált fűtőberendezésekre váltott (0,8 bar belső nitrogén, lezárt). A fűtőtestek 3 évig működtek összeomlás nélkül. A többletköltség (30%-os prémium) 6 hónapon belül megtérült a megszüntetett leállások révén.
Következtetés: A nyomáskompenzáció megakadályozza az összeomlást nagy{0}}vákuumban
A szabványos PFA fűtőtestek nagy vákuum alatt összeomlanak 50 fok feletti hőmérsékleten, mert a PFA modulusa leesik, így a kritikus külső nyomás az 1 bar különbség alá csökken. A nyomáskiegyenlített-konstrukciók-, ahol a belső gyűrű alakú rést lezárják, és száraz nitrogénnel 0,5–0,8 bar nyomás alá helyezik,{7}}megakadályozzák az összeomlást azáltal, hogy kis külső nyomáskülönbséget (húzógyűrű-feszültség) hoznak létre a befelé (nyomó) helyett. Minden 0,1 bar abszolút alatti és 50 fok feletti vákuumfolyamathoz adjon meg nyomáskompenzált PFA-fűtőket. 150 fok feletti hőmérséklet esetén használjon dupla-falú fém{15}}támogatott PFA-t. Ne kockáztassa az összeomlást. Az összeomlott fűtőberendezés meghibásodott. Kompenzálja a nyomást, különben a vákuum összeomlik a fűtőberendezése. Válasszon kompenzációt.
