Didelio-vakuuminiai procesai (slėgis < 0,01 baro absoliutus) sukuria didelį slėgio skirtumą PFA apvalkale: 1 baro išorinis atmosferos slėgis stumiasi į vidų, o bako viduje yra beveik -vakuumas. Standartiniam PFA šildytuvui vidinis žiedinis tarpas tarp metalinės šerdies ir PFA apvalkalo yra esant atmosferiniam slėgiui (1 baras), nes jis nėra sandarus nuo aplinkos. Vakuuminio veikimo metu apvalkalo grynasis vidinis slėgis yra maždaug 0,99 baro. Susidaręs lanko įtempis yra gniuždomasis, o ne tempiamas. PFA suspaudimas yra stipresnis nei įtempimas, tačiau pagrindinis gedimo būdas yra plonasienio vamzdžio sulenkimas arba griuvimas. 25 mm OD, 2 mm sienelės PFA vamzdžio kritinis išorinis slėgis griūties atveju yra maždaug 2–3 barai. 1 baro skirtumas yra mažesnis už tai, todėl kambario temperatūroje neįvyksta kolapsas. Tačiau esant aukštesnei temperatūrai (80–150 laipsnių), PFA modulis sumažėja 50–70%, o kritinis griūties slėgis gali nukristi žemiau 1 baro. Slėgiu{25}}kompensuota konstrukcija-, kai vidinis žiedinis tarpas yra slėgis sausu azotu, kad atitiktų išorinį vakuumą,{27}}neleidžia sugriūti. Ši konstrukcija rekomenduojama vakuuminiams procesams virš 80 laipsnių.
Žlugimo mechanizmas ir kritinis slėgis
Kritinis plonasienio vamzdžio išorinis slėgis yra apskaičiuojamas pagal P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, kur E yra Youngo modulis, ν yra Puasono koeficientas (0,45 PFA), t yra sienelės storis, o D yra vidutinis skersmuo. Esant 20 laipsnių, E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1 200 / 0,7975) {0,7975) × (0,0,8) 0.000658=0.99 juosta. Esant 20 laipsnių, kritinis slėgis yra maždaug 1 baras{29}}ribinis. Bet koks netobulumas jį sumažina. Esant 100 laipsnių, E nukrenta iki 250 MPa. P_kritas=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 baras. Standartinis PFA vamzdelis 100 laipsnių kampu subyra esant 0,41 baro diferencialo vakuumui. Kadangi tikrasis skirtumas yra 0,99 baro, žlugimas yra tikras. Lauko įrodymai: PFA šildytuvuose, vykstant vakuuminiams procesams 80–120 laipsnių temperatūroje, dažnai matosi sugriuvę apvalkalai{50}}PFA yra priplotas prie metalinės šerdies, o kartais su aplinkinėmis raukšlėmis. Žlugimas iš karto nesukelia elektros gedimo, tačiau sukuria didelį liekamąjį įtempį ir gali įtrūkti PFA vėlesnio terminio ciklo metu.
Slėgis{0}}kompensuotas dizainas
Slėgiu{0}}kompensuotas PFA šildytuvas turi sandarų žiedinį tarpą tarp metalinės šerdies ir PFA apvalkalo. Gamybos metu tarpas ištuštinamas ir užpildomas sausu azotu iki 0,5–1,0 baro absoliutaus slėgio. Mažas slėgio reguliatorius arba vienkartinis sandariklis (pvz., suspaustas metalinis vamzdis) palaiko vidinį slėgį. Kai šildytuvas dedamas į vakuuminę kamerą (pvz., 0,01 baro), vidinis slėgis (tarkime, 0,8 baro) sukuria tik 0,79 baro skirtumą į išorę (iš vidaus į išorę), o ne į vidų. PFA apvalkalas patiria lanko tempimo įtempį, o ne gniuždymą. Tempimo įtempis nesukelia griūties. Kritinis išorinis slėgis plyšimui yra daug didesnis (10–20 barų). Šildytuvas išlieka stabilus.
Slėgiu{0}}kompensuota konstrukcija turi du iššūkius: (1) sandariklis turi būti palaikomas visą šildytuvo naudojimo laiką, įskaitant terminį ciklą. Metaliniai-į-PFA sandarikliai (suspaudimo jungiamosios detalės) laikui bėgant linkę nutekėti. Suvirintas metalinis silfoninis sandariklis arba stiklo -į-metalinis sandariklis yra patikimesnis. (2) Vidinis slėgis didėja didėjant temperatūrai (PV=nRT). Šildytuvas, pripildytas 0,8 baro 20 laipsnių temperatūroje, pasieks 1,2 baro 150 laipsnių temperatūroje. PFA turi atlaikyti šį papildomą lanko apkrovą. 2 mm sienai, 25 mm OD, 1,2 baro vidinis slėgis suteikia lanko įtempį=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-, nereikšmingą.
Žlugimo prevencijos palyginimas
| Šildytuvo dizainas | Vidinis tarpo slėgis (bar abs) | Išorinis vakuumas (baras abs) | Grynasis skirtumas (bar) | Kryptis | Sugriūti 20 laipsnių temperatūroje? | Sugriūti 100 laipsnių kampu? | Tinka aukštam vakuumui? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standartinis (vėdinamas) | 1.0 | 0.01 | 0,99 į vidų | Kompresinis | Ne (ribinis) | Taip (sutraukti) | Ne (virš 50 laipsnių) |
| Standartinis (ventiliuojamas) su stora sienele (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 į vidų | Kompresinis | Nr | Ne (P_crit=1.4 juosta 100 laipsnių kampu) | Taip, bet sunkus ir prastas šilumos perdavimas |
| Slėgis-kompensuotas (sandarintas, 0,5 baro užpildymas) | 0.5 | 0.01 | 0,49 į išorę | Tempimas | Nr | Nr | Taip (visos temperatūros) |
| Slėgis-kompensuotas (sandariai, 0,8 baro užpildymas) | 0.8 | 0.01 | 0,79 į išorę | Tempimas | Nr | Nr | Taip (standartinis dizainas) |
| Slėgis{0}}kompensuojamas vakuumo nuoroda | 1.0 (reguliuojama, kad atitiktų išorinį) | 0.01 | 0 (subalansuotas) | Nėra | Nr | Nr | Idealus (sudėtingas) |
| Dviguba{0}}siena (PFA virš metalinės šerdies, be tarpo) | N/A (nėra tarpo) | N/A | N/A | N/A | Nr | Nr | Taip (pagrindinis palaiko PFA) |
Vakuuminių procesų taikymo gairės
Vakuuminiams procesams, esant žemesnei nei 50 laipsnių, standartinis PFA šildytuvas (2 mm sienelė) yra priimtinas, nes E išlieka aukštas (≈ 500 MPa), o P_crit ≈ 0,8 bar{5}} vis dar mažesnis už 0,99 baro skirtumą? Iš tikrųjų 0,8 < 0,99, todėl griūtis vis tiek įmanoma. Marža nedidelė. Dėl patikimumo naudokite slėgį,{11}}kompensuotą esant bet kokiam vakuumui, mažesniam nei 0,1 baro.
Vakuuminiams procesams, kurių temperatūra viršija 50 laipsnių, reikalingas slėgis kompensuojamas šildytuvas. Be kompensacijos žlugimas yra tikras per kelias valandas ar dienas. Griuvimo simptomai: (1) šildytuvas atrodo plokščias arba yra susiraukšlėjęs; (2) Izoliacijos varža mažėja, kai PFA įtrūksta; (3) Šildytuvas naudoja didesnę srovę (šerdies skerspjūvis-sumažėjęs? Mažai tikėtina). Nedelsdami pakeiskite sudužusius šildytuvus.
Vakuuminiams procesams, kurių temperatūra viršija 150 laipsnių, dėl šliaužimo gali nepakakti net slėgio-kompensuoto PFA. Esant 150 laipsnių , E=150 MPa, PFA vis tiek gali palaikyti išorinį slėgį, tačiau laikui bėgant šliaužimas gali sukelti apvalkalo susitraukimą. Naudokite dvigubos-sienos dizainą, kai PFA palaiko perforuotas metalinis vamzdis. Metalinis vamzdis neša slėgio apkrovą; PFA užtikrina cheminį atsparumą.
Lauko pavyzdys
Puslaidininkinė vakuuminė džiovinimo kamera veikė 120 laipsnių, 0,01 baro. Standartiniai PFA šildytuvai sugriuvo per 2 mėnesius ir pasirodė susiraukšlėję apvalkalai. Įrenginys perėjo prie slėgio kompensuojamų šildytuvų (0,8 baro vidinis azotas, sandarus). Šildytuvai veikė 3 metus, nesugriuvę. Papildomos išlaidos (30 % priemoka) buvo susigrąžintos per 6 mėnesius pašalinus prastovą.
Išvada: slėgio kompensavimas apsaugo nuo žlugimo{0}} dideliame vakuume
Standartiniai PFA šildytuvai suyra esant dideliam vakuumui, kai temperatūra viršija 50 laipsnių, nes PFA modulis krenta, todėl kritinis išorinis slėgis sumažėja žemiau 1 baro skirtumo. Slėgio-kompensuotos konstrukcijos-, kai vidinis žiedinis tarpas yra sandarus ir slėgis sausu azotu iki 0,5–0,8 baro-apsaugo nuo žlugimo, nes sukuria nedidelį išorinį slėgio skirtumą (tempimo lanko įtempis), o ne į vidų (slėgį). Jei vakuuminis procesas yra mažesnis nei 0,1 baro absoliutus ir didesnis nei 50 laipsnių, nurodykite slėgio kompensuojamus PFA šildytuvus. Jei temperatūra viršija 150 laipsnių, naudokite dvigubos{14}}sienos metalo{15}}palaikomą PFA. Nerizikuokite sugriūti. Sugedęs šildytuvas yra sugedęs šildytuvas. Kompensuokite slėgį, kitaip vakuumas sugrius jūsų šildytuvą. Pasirinkite kompensaciją.
