Egy vegyi üzem két 4 kW-os PTFE merülőfűtőt hasonlított össze azonos üzemben. Mindkettőt azonos feszültségre és wattsűrűségre tervezték. Egy szabványos magnézium-oxid töltőanyagot használt. A másik alumínium-oxiddal{4}}javított töltőanyagot használt. Az alumínium-oxiddal töltött fűtőtest 8-12 fokkal alacsonyabb burkolathőmérsékleten működött ugyanazon a teljesítmény mellett, és közel kétszer annyi ideig tartott, amíg a szigetelési ellenállás csökkent. A különbség nem a PTFE burkolat volt. Ez volt benne.
A merülő fűtőelem belső töltőanyaga két célt szolgál: elektromosan szigeteli az ellenálláselemet a fémhüvelytől, és hőt vezet az elemtől a burkolathoz. A magnézium-oxid évtizedek óta a standard töltőanyag, mert olcsó, jó dielektromos szilárdságú és jól tolerálja a magas hőmérsékletet. De az MgO hővezető képessége -körülbelül 30–40 W/m·K sűrűn tömörítve-nem a legmagasabb elérhető. Az alumínium-oxid magasabb vezetőképességgel rendelkezik, és MgO-val való keverése javítja a hőátadást anélkül, hogy feláldozná az elektromos szigetelést.
A hőút a PTFE fűtőben
Az ellenálláshuzal által termelt hőnek három rétegen kell áthaladnia, mielőtt eléri a technológiai közeget: a MgO vagy alumínium-oxid töltőanyagot, a belső elem fémburkolatát és a PTFE külső burkolatot. A PTFE fal a legnagyobb hőzáró, de a töltőanyag mérhető ellenállást biztosít.
Egy tipikus, 6 mm átmérőjű és 1,5 mm-es töltőgyűrűvel rendelkező elemnél a hőmérsékletesés az MgO-n 1,2 W/cm²-nél körülbelül 8-12 fok. A PTFE falon keresztüli esés 12-18 fok. A konvektív határrétegen keresztüli esés 10-20 fok. Teljes köpeny-a-tömeg közötti távolság: 30–50 fok.
Ha a MgO-t alumínium-oxiddal{0}}dúsított töltőanyagra cseréljük, a töltőanyag mennyisége 30–50%-kal csökken. A teljes rés 3-6 fokkal csökken. Ez a csökkenés csekélynek tűnhet, de közvetlenül alacsonyabb burkolathőmérsékletet jelent,{7}}a köpeny alacsonyabb hőmérséklete pedig lassabb áteresztést, lassabb vízkőlerakódást és hosszabb élettartamot jelent.
| Töltőanyag | Hővezetőképesség | Töltőanyag ΔT 1,2 W/cm²-nél | Teljes burkolat ΔT | Relatív élettartam |
|---|---|---|---|---|
| Szabványos MgO | 30–35 W/m·K | 10-12 fok | 38-48 fok | Alapvonal |
| Nagy-sűrűségű MgO | 35–40 W/m·K | 8-10 fok | 35-44 fok | 1.1–1.2× |
| Alumínium-oxiddal{0}}fokozott MgO | 40–50 W/m·K | 6-8 fok | 32-40 fok | 1.3–1.5× |
| Nagy-tisztaságú alumínium-oxid | 50–60 W/m·K | 5-7 fok | 30-38 fok | 1.4–1.6× |
A töltőanyag hővezető képessége és hatása a burkolat hőmérsékletére és élettartamára
Miért vezeti jobban az alumínium-oxid a hőt, mint az MgO?
Az alumínium-oxid (Al2O3) hővezető képessége tiszta kristályos formájában 30-35 W/m·K, hasonlóan a MgO-hoz. De a fűtőelemekben használt töltőanyag nem egykristály,{3}} hanem tömörített por. Az effektív hővezető képesség a részecskemérettől, a tömörítési sűrűségtől és a részecskék közötti érintkezéstől függ.
Az alumínium-oxid részecskék keményebbek és szögletesebbek, mint az MgO részecskék. Sűrűbben csomagolódnak, és több érintkezési pontot hoznak létre a szomszédos részecskék között. Több érintkezési pont több utat jelent a hő áramlásához. Az eredmény egy nagyobb effektív hővezető képesség a tömörített töltőanyagban.
Az alumínium-oxid dielektromos szilárdsága is jobb magas hőmérsékleten, mint a MgO. Ez lehetővé teszi a töltőanyag sűrűbben történő tömörítését az elektromos meghibásodás kockázata nélkül, ami tovább javítja a hővezető képességet.
| Kitöltő tulajdonság | MgO | Alumínium-oxid-javított | Tiszta alumínium-oxid |
|---|---|---|---|
| Részecskekeménység | Mérsékelt | Magas | Nagyon magas |
| Csomagolási sűrűség | 2,8–3,1 g/cm³ | 3,0–3,3 g/cm³ | 3,2–3,5 g/cm³ |
| Dielektromos szilárdság | 15-20 kV/mm | 18-22 kV/mm | 20-25 kV/mm |
| Nedvesség felszívódása | Nedvszívó | Mérsékelt | Alacsony |
| Relatív költség | Alacsony | Mérsékelt | Magasabb |
Töltőanyag tulajdonságainak összehasonlítása merülőfűtőelemekhez
A burkolat hőmérsékletére és élettartamára gyakorolt hatás
A burkolat hőmérsékletének 5-10 fokos csökkenése nem hangzik jelentősnek, de aránytalanul befolyásolja az élettartamot. A permeációt és a kémiai támadást termikusan aktiválják. A burkolat hőmérsékletének minden 10 fokos csökkenése nagyjából a felére csökkenti az áteresztési sebességet. A több hónapos működés során ez a csökkenés az élettartam jelentős meghosszabbítását jelenti.
A vízkőlerakódásra gyakorolt hatás hasonló. A vízkő elsősorban forró felületeken képződik. A 8 fokos hűtővel működő fűtőberendezés lassabban halmozódik fel a vízkőben, meghosszabbítva a szükséges tisztítások közötti intervallumot, és csökkenti a forró pontok kialakulásának kockázatát a lerakódás alatt.
| A burkolat hőmérsékletének csökkentése | Permeation Rate változás | Scale Deposition Rate Change | Várható élettartam meghosszabbítás |
|---|---|---|---|
| 3 fok | 20%-kal alacsonyabb | 10-15%-kal alacsonyabb | 15–25% |
| 5 fok | 30%-kal alacsonyabb | 15-25%-kal alacsonyabb | 25–40% |
| 8 fok | 45%-kal alacsonyabb | 25-35%-kal alacsonyabb | 40–60% |
| 12 fok | 60%-kal alacsonyabb | 35-50%-kal alacsonyabb | 60–90% |
A köpeny hőmérsékletének csökkentésének hatása a permeációra, a vízkőképződésre és az élettartamra
Nedvességállóság és dielektromos stabilitás
Az alumínium-oxiddal{0}}javított töltőanyagok jobb nedvességállóságot is biztosítanak, mint a hagyományos MgO. A MgO higroszkópos,{2}}elnyeli a nedvességet a levegőből és a PTFE-köpenyen áthatoló technológiai folyadékokból. Az alumínium-oxid kevesebb nedvességet szív fel, és jobban megőrzi dielektromos szilárdságát nedves környezetben.
Ez különösen fontos a PTFE fűtőberendezéseknél, ahol a köpeny az egyetlen akadály a folyamatfolyadék és a töltőanyag között. Ha nedvesség éri a töltőanyagot, a szigetelési ellenállás csökken. A nedvességfelvételnek ellenálló töltőanyag hosszabb ideig megőrzi a magasabb szigetelési ellenállást, meghosszabbítva a földzárlat kioldása előtti időt.
Amikor az alumínium-oxid{0}}feljavított töltőanyagok megérik a költségeket
Az alumínium-oxiddal{0}}javított töltőanyagok 10–20%-kal növelik a fűtőelem árát. A jótékony hatás-hosszabb élettartam és alacsonyabb burkolathőmérséklet-igazolja a költségeket olyan igényes alkalmazásokban, ahol a fűtőelem cseréje költséges vagy zavaró.
Enyhe üzemelés esetén-alacsony hőmérséklet, alacsony viszkozitás, tiszta folyadékok-az előnyök kisebbek, és a szokásos MgO töltőanyag is megfelelő lehet. Agresszív üzemben-magas hőmérsékletű, viszkózus folyadékok, vízkő-lerakódást képző vegyi anyagok-az alumínium-oxiddal-javított töltőanyag mérhető javulást eredményez.
| Alkalmazás | Szabványos MgO | Alumínium-oxid-javított | Ajánlás |
|---|---|---|---|
| Víz öblítés,<60°C | Megfelelő | Marginális haszon | Szabványos MgO |
| Savas bevonat, 60-70 fok | Elfogadható | Mérsékelt haszon | Alumíniumoxid-javított |
| Nikkelezés, 55 fok | Marginális | Jó haszon | Alumíniumoxid-javított |
| Elektromos nikkel, 88 fok | Szegény | Jelentős haszon | Alumíniumoxid-javított |
| Krómsav, 60 fok | Marginális | Jó haszon | Alumíniumoxid-javított |
Töltőanyag-választási javaslatok alkalmazásonként
Amikor a töltőanyag kiválasztása nem elég
A töltőanyag a hőút egyik összetevője. Még a legjobb töltőanyag sem képes kompenzálni a túl vastag PTFE burkolatot, a túl nagy wattsűrűséget vagy a túl alacsony áramlási feltételeket. A töltőanyag-javítás fokozatos,{2}}nem több tíz fokkal, hanem néhány fokkal csökkenti a burkolat hőmérsékletét.
Azokban az alkalmazásokban, ahol a burkolat hőmérséklete messze a biztonságos tartomány felett van, a megoldás a wattsűrűség csökkentése, az áramlás javítása vagy a felület növelése. A töltőanyag kiválasztása finomítás, nem javítás.
Az egyedi PTFE merülőfűtő-konfiguráció az alumínium-oxid{0}}javított töltőanyagokat alacsony wattsűrűséggel, nagy felülettel és jobb áramlási hozzáféréssel kombinálja, hogy csökkentse a burkolat hőmérsékletét több fronton. A specifikációs folyamat megköveteli a fürdő kémiáját, az üzemi hőmérsékletet, az áramlási feltételeket és a szükséges teljesítményt. Igényes alkalmazások esetén ez a kombináció biztosítja a leghosszabb élettartamot.
