Chemijos gamykla palygino du 4 kW PTFE panardinamuosius šildytuvus identiškai. Abu buvo įvertinti pagal tą pačią įtampą ir vatų tankį. Vienas naudotas standartinis magnio oksido užpildas. Kitas naudojo aliuminio oksido{4}}patobulintą užpildą. Aliuminio oksido -užpildytas šildytuvas veikė 8–12 laipsnių žemesne apvalkalo temperatūra esant tokiai pačiai galiai ir truko beveik dvigubai ilgiau, kol izoliacijos varža sumažėjo. Skirtumas nebuvo PTFE apvalkalas. Tai buvo tai, kas buvo jo viduje.
Panardinamojo šildytuvo vidinis užpildas turi du tikslus: jis elektriškai izoliuoja varžos elementą nuo metalinio apvalkalo ir praleidžia šilumą nuo elemento į apvalkalą. Magnio oksidas dešimtmečius buvo standartinis užpildas, nes jis yra nebrangus, turi gerą dielektrinį stiprumą ir toleruoja aukštą temperatūrą. Tačiau MgO šilumos laidumas -maždaug 30–40 W/m·K, kai jis tankiai sutankintas{5}}, nėra pats didžiausias. Aliuminio oksidas pasižymi didesniu laidumu, o sumaišius jį su MgO pagerina šilumos perdavimą neprarandant elektros izoliacijos.
Terminis kelias PTFE šildytuvo viduje
Atsparios vielos skleidžiama šiluma turi pereiti tris sluoksnius, kol pasiekia proceso skystį: MgO arba aliuminio oksido užpildą, metalinį vidinio elemento apvalkalą ir PTFE išorinį apvalkalą. PTFE sienelė yra didžiausia šiluminė barjera, tačiau užpildas prisideda prie išmatuojamo atsparumo.
Įprasto elemento, kurio skersmuo 6 mm ir 1,5 mm užpildo žiedas, temperatūros kritimas per MgO esant 1,2 W/cm² yra maždaug 8–12 laipsnių. Kritimas per PTFE sieną yra 12–18 laipsnių. Konvekcinio ribinio sluoksnio kritimas yra 10–20 laipsnių. Bendras apvalkalo-į-tarpas: 30–50 laipsnių.
Pakeitus MgO užpildu su aliuminio oksidu{0}}, užpildo kiekis sumažėja 30–50 %. Bendras tarpas sumažėja 3–6 laipsniais. Šis sumažėjimas gali atrodyti nedidelis, tačiau jis tiesiogiai reiškia žemesnę apvalkalo temperatūrą{7}}, o žemesnė apvalkalo temperatūra reiškia lėtesnį prasiskverbimą, lėtesnį nuosėdų nusėdimą ir ilgesnį tarnavimo laiką.
| Užpildo medžiaga | Šilumos laidumas | Užpildas ΔT esant 1,2 W/cm² | Bendras apvalkalo ΔT | Santykinis tarnavimo laikas |
|---|---|---|---|---|
| Standartinis MgO | 30–35 W/m·K | 10-12 laipsnių | 38-48 laipsnių | Bazinė linija |
| Didelio{0}}tankio MgO | 35–40 W/m·K | 8-10 laipsnių | 35-44 laipsnių | 1.1–1.2× |
| Aliuminio oksidu{0}}patobulintas MgO | 40–50 W/m·K | 6-8 laipsnių | 32-40 laipsnių | 1.3–1.5× |
| Aukšto{0}}grynumo aliuminio oksidas | 50–60 W/m·K | 5-7 laipsniai | 30-38 laipsnių | 1.4–1.6× |
Užpildo šilumos laidumas ir jo įtaka apvalkalo temperatūrai ir tarnavimo laikui
Kodėl aliuminio oksidas geriau praleidžia šilumą nei MgO
Grynos kristalinės formos aliuminio oksido (Al2O3) šilumos laidumas yra 30–35 W/m·K, panašus į MgO. Tačiau kaitinimo elementuose naudojamas užpildas nėra vienas kristalas,{3}}tai sutankinti milteliai. Efektyvus šilumos laidumas priklauso nuo dalelių dydžio, pakavimo tankio ir dalelių kontakto.
Aliuminio dalelės yra kietesnės ir kampinės nei MgO dalelės. Jie susikaupia tankiau ir sukuria daugiau sąlyčio taškų tarp gretimų dalelių. Daugiau kontaktinių taškų reiškia daugiau šilumos tekėjimo kelių. Rezultatas – didesnis efektyvus sutankinto užpildo šilumos laidumas.
Aliuminio oksido dielektrinis stiprumas aukštoje temperatūroje taip pat yra geresnis nei MgO. Tai leidžia tankiau sutankinti užpildą, nerizikuojant sugadinti elektros energiją, o tai dar labiau pagerina šilumos laidumą.
| Užpildo nuosavybė | MgO | Aliuminio oksidas-Patobulintas | Grynas aliuminio oksidas |
|---|---|---|---|
| Dalelių kietumas | Vidutinis | Aukštas | Labai aukštas |
| Pakavimo tankis | 2,8–3,1 g/cm³ | 3,0–3,3 g/cm³ | 3,2–3,5 g/cm³ |
| Dielektrinis stiprumas | 15–20 kV/mm | 18–22 kV/mm | 20–25 kV/mm |
| Drėgmės sugėrimas | Higroskopiškas | Vidutinis | Žemas |
| Santykinė kaina | Žemas | Vidutinis | Aukštesnis |
Užpildo medžiagų savybių palyginimas panardinamojo šildytuvo elementams
Poveikis apvalkalo temperatūrai ir tarnavimo laikui
Apvalkalo temperatūros sumažinimas 5–10 laipsnių gal ir neskamba reikšmingai, tačiau turi neproporcingai didelę įtaką tarnavimo laikui. Prasiskverbimas ir cheminis poveikis yra termiškai aktyvuojami. Kas 10 laipsnių apvalkalo temperatūros sumažinimas maždaug perpus sumažina prasiskverbimo greitį. Per eksploatacijos mėnesius šis sumažinimas žymiai pailgina tarnavimo laiką.
Poveikis nuosėdų nusėdimui yra panašus. Nuosėdos dažniausiai susidaro ant karštų paviršių. Šildytuvas, veikiantis 8 laipsnių aušintuvu, lėčiau kaupia apnašas, pailgina intervalą tarp reikalingų valymo procedūrų ir sumažina karštų taškų susidarymo riziką po nuosėdomis.
| Apvalkalo temperatūros mažinimas | Prasiskverbimo greičio pokytis | Skalės nusėdimo greičio pokytis | Numatomas tarnavimo laiko pratęsimas |
|---|---|---|---|
| 3 laipsnis | 20% mažesnė | 10-15% mažesnis | 15–25% |
| 5 laipsnis | 30% mažesnė | 15–25% mažesnis | 25–40% |
| 8 laipsnių | 45% mažesnis | 25–35% mažesnis | 40–60% |
| 12 laipsnių | 60% mažesnis | 35–50% mažesnis | 60–90% |
Apvalkalo temperatūros mažinimo įtaka prasiskverbimui, pleiskanojimui ir tarnavimo laikui
Atsparumas drėgmei ir dielektrinis stabilumas
Aliuminio oksido{0}}užpildai taip pat pasižymi geresniu atsparumu drėgmei nei standartinis MgO. MgO yra higroskopinis{2}}jis sugeria drėgmę iš oro ir proceso skysčių, prasiskverbiančių per PTFE apvalkalą. Aliuminio oksidas sugeria mažiau drėgmės ir geriau išlaiko savo dielektrinį stiprumą drėgnoje aplinkoje.
Tai ypač svarbu PTFE šildytuvuose, kur apvalkalas yra vienintelė kliūtis tarp proceso skysčio ir užpildo. Jei drėgmė pasiekia užpildą, izoliacijos varža sumažėja. Užpildas, atsparus drėgmės sugėrimui, ilgiau išlaiko didesnį izoliacijos atsparumą, pailgindamas laiką iki žemės gedimo išjungimo.
Kai aliuminio oksido{0}}užpildai yra verti
Aliuminio oksido{0}}užpildai padidina kaitinimo elemento kainą 10–20 %. Privalumai-ilgesnis tarnavimo laikas ir žemesnė apvalkalo temperatūra-pateisina sąnaudas sudėtingose programose, kur šildytuvo keitimas yra brangus arba pavojingas.
Lengvai eksploatuojant-žema temperatūra, mažas klampumas, švarūs skysčiai-nauda mažesnė ir standartinio MgO užpildo gali pakakti. Agresyvioje eksploatacijoje-aukšta temperatūra, klampūs skysčiai, nuosėdos-sudarančios chemines medžiagas-patobulintas aliuminio oksido-užpildas suteikia išmatuojamų patobulinimų.
| Taikymas | Standartinis MgO | Aliuminio oksidas-Patobulintas | Rekomendacija |
|---|---|---|---|
| Skalauti vandeniu,<60°C | Pakankamas | Ribinė nauda | Standartinis MgO |
| Dengimas rūgštimi, 60–70 laipsnių | Priimtinas | Vidutinė nauda | Aliuminio oksidas-patobulintas |
| Nikeliavimas, 55 laipsnių | Ribinis | Gera nauda | Aliuminio oksidas-patobulintas |
| Beelektrinis nikelis, 88 laipsnių | Vargšas | Reikšminga nauda | Aliuminio oksidas-patobulintas |
| Chromo rūgštis, 60 laipsnių | Ribinis | Gera nauda | Aliuminio oksidas-patobulintas |
Užpildo pasirinkimo rekomendacijos pagal programą
Kai užpildo pasirinkimo nepakanka
Užpildas yra vienas iš šiluminio kelio komponentų. Net geriausias užpildas negali kompensuoti per storo PTFE apvalkalo, per didelio vatų tankio ar per mažo srauto. Užpildas tobulinamas laipsniškai-tai sumažina apvalkalo temperatūrą keliais laipsniais, o ne dešimtimis laipsnių.
Tais atvejais, kai apvalkalo temperatūra gerokai viršija saugų diapazoną, sprendimas yra sumažinti vatų tankį, pagerinti srautą arba padidinti paviršiaus plotą. Užpildo pasirinkimas yra patobulinimas, o ne pataisymas.
Pasirinktinė PTFE panardinamojo šildytuvo konfigūracija sujungia aliuminio oksido{0}}patobulintus užpildus su mažu vatų tankiu, dideliu paviršiaus plotu ir geresne prieiga prie srauto, kad būtų sumažinta apvalkalo temperatūra keliuose frontuose. Specifikacijos procesas reikalauja vonios chemijos, darbinės temperatūros, srauto sąlygų ir reikalingos galios. Įrenginiams su sudėtingais pritaikymais šis derinys užtikrina ilgiausią tarnavimo laiką.
