Độ dốc công suất tối đa an toàn (W/cm² mỗi giây) cho Máy sưởi PFA để tránh phồng rộp hơi nước bên trong là bao nhiêu?

Việc cấp năng lượng nhanh chóng cho bộ gia nhiệt PFA từ trạng thái lạnh dẫn đến làm nóng đáng kể lõi kim loại so với vỏ bọc PFA xung quanh. Nếu còn hơi ẩm còn sót lại tại điểm tiếp xúc kim loại PFA-(thường là 5-50 mg từ độ ẩm sản xuất hoặc độ ẩm hấp thụ), thì hơi ẩm sẽ nóng lên thành hơi nước trước khi PFA đủ nóng để cho phép khuếch tán. Áp suất hơi cao (10–100 bar) cục bộ nâng PFA ra khỏi lõi và tạo thành vết phồng rộp. Sau khi phát triển, vỉ chứa đầy hơi nước hoạt động như một chất cách nhiệt, khiến khu vực này nóng hơn và vỉ phồng lên. Thông số quan trọng để kiểm soát sự hình thành vết phồng rộp không phải là mật độ watt ở trạng thái ổn định mà là gradient công suất: mật độ watt tăng nhanh như thế nào (W/cm2/giây). Đối với máy sưởi PFA thông thường không có lớp bảo vệ chống ẩm bổ sung, gradient công suất tối đa an toàn là 0,5 đến 1,0 W/cm2 mỗi giây. Ngay cả ở{20}mật độ watt ở trạng thái ổn định thấp hơn nhiều so với định mức liên tục của PFA, mật độ watt vượt quá 2–3 W/cm² mỗi giây sẽ gây ra hiện tượng cháy xém trong vòng 10–50 chu kỳ khởi động.

Cơ chế phồng rộp hơi nước và tăng nhiệt độ
Bề mặt kim loại-PFA của bất kỳ lò sưởi nào đều chứa hơi ẩm còn sót lại từ ba nguồn: (1) nước được hấp thụ từ không khí ẩm trong quá trình bảo quản (PFA có thể thấm hơi nước), (2) ngưng tụ trong chu trình làm nguội- và (3) cặn sản xuất. Một lò sưởi "khô" thường bao gồm 5–20 mg nước dọc theo bề mặt tiếp xúc với chiều dài 1 m. Trong quá trình khởi động nguội và ở công suất tối đa, nhiệt độ của lõi kim loại tăng với tốc độ được tính bằng dT/dt=(P×η)/(m×c_p), trong đó P là công suất (W), η là hiệu suất (≈0,95), m là khối lượng lõi (≈2–4 kg đối với lò sưởi 6 kW) và c_p là nhiệt dung riêng của Incoloy (≈450 J/kg·K). Đối với máy sưởi 6 kW có lõi 3 kg dT/dt=(6.000 x 0,95) / (3 x 450)=5,700 / 1,350=4.2 độ /giây. Lõi đạt 100C trong (100-20)/4.2=19 giây. Bề mặt bên ngoài của PFA khi tiếp xúc với chất lỏng lạnh sẽ nóng lên chậm hơn nhiều. Bề mặt bên trong của PFA (cạnh lõi) xấp xỉ 100 độ ở t=19 giây, tuy nhiên bề mặt bên ngoài có thể chỉ là 30-40 độ. Nhiệt độ dọc theo toàn bộ bức tường ở thời điểm t{41}} giây là 60-70 độ .

Nước tại điểm tiếp xúc đang sôi ở 100 độ. Sự thay đổi pha nhanh chóng từ lỏng sang hơi này dẫn đến thể tích tăng gấp 1.600 lần. Khoảng cách giao diện (0,1-1,0 µm) quá nhỏ để có thể chứa được sự giãn nở này và áp suất tăng lên 10-100 bar. cục bộ PFA sinh ra và hình thành một vết phồng rộp - một ngăn được tách lớp có đường kính thường là 2-10 mm. Vỉ chứa đầy hơi nước có độ dẫn nhiệt ~0,02 W/m·K (thấp hơn 10× so với PFA). Vùng phồng rộp là một mảng nóng với nhiệt độ cục bộ tăng từ 20–50 độ. Mỗi lần điều này xảy ra, vết phồng rộp sẽ trở nên lớn hơn và hút hơi ẩm từ khu vực xung quanh. Vết phồng rộp có thể vỡ sau 10–100 chu kỳ và để lõi kim loại tiếp xúc với chất lỏng xử lý, dẫn đến sự cố chạm đất đột ngột.

Giới hạn độ dốc công suất theo trạng thái bộ sưởi
Độ ẩm ở thiết bị sưởi Điều kiện độ ẩm Giao diện (mg/m chiều dài)Dq/dt tối đa (W/cm2.s) an toàn Trạng thái ổn định tối đa-trạng thái q (W/cm2) Thời gian đạt công suất tối đa (đối với thiết bị sưởi 4 W/cm2) Điều khiển khởi động được khuyến nghị
Sấy chân không hoặc tẩy nitơ 1 mg 5-100,4 đến 0,8 giây. Lên đến 5Khởi đầu tốt
Nhà máy Mới (bảo quản khô)5-10 mg 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 giâyKhởi động mềm (tăng tốc 3-5 giây)
Tiêu chuẩn được triển khai ở vùng khí hậu ẩm10–25 mg 1,0–1.5 3–4 2.7–4,0 giâyKiểm soát tốc độ (5 đến 10 giây)
Aged (>2 năm sử dụng trong môi trường ẩm) 25-50 mg 0.5-1.0 2-3 4-8 giây Tăng tốc chậm (10-20 giây)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 mg 0,2–0.4 1–2 10–20 giây khô trước khi sử dụng khởi động rất chậm
Bộ sưởi có vết phồng rộp trước đó (nhìn thấy hoặc sờ thấy) Thay đổi N/AN/AN/A Thay bộ sưởi; không thể phục hồi được
Xác minh tại hiện trường và tính toán thực tế
Để xác định độ dốc công suất của hệ thống lắp đặt hiện có: Đo thời gian từ khi cấp điện cho bộ sưởi (ở đầu ra bộ điều khiển) đến thời điểm bộ sưởi đạt công suất ở trạng thái ổn định. Đối với bộ sưởi điện trở được điều khiển bật/tắt đơn giản, toàn bộ nguồn điện sẽ được cung cấp ngay lập tức-độ dốc gần như vô hạn trong mili giây đầu tiên. Điều đó thật nguy hiểm. độ dốc=(mật độ công suất cuối cùng)/(thời lượng đoạn đường nối) cho điều khiển SCR góc pha- với đoạn đường nối khởi động mềm. Ví dụ: Máy sưởi 6 kW có diện tích bề mặt 0,1 m2 (qcuối=6 W/cm2) và thời gian tăng tốc là 10 giây tạo ra dq/dt=6 / 10=0.6 W/cm2 mỗi giây - an toàn. dq/dt=3 W/cm² mỗi giây, thời gian tăng tốc 2 giây - nguy hiểm đối với hầu hết các máy sưởi.

Field verification of presence of blisters (1) Insulation resistance measurement (megohmmeter, 500 V DC) before start-up (cold) and just after steady state temperature is reached. The decrease in resistance from >1.000 MΩ đến 100-500 MΩ khi nóng lên biểu thị sự di chuyển hơi ẩm và khả năng phồng rộp. (2) Chạy ngón tay dọc theo bề mặt PFA khi tắt bộ sưởi và làm nguội. Các mụn nước có cảm giác như những cục nhỏ (đường kính 1-5 mm, hơi nhô cao). (3) Có thể sử dụng camera hồng ngoại trong quá trình khởi động để phát hiện các vùng phồng rộp dưới dạng điểm nóng cục bộ (5-20C so với vỏ xung quanh) trong vòng 30-60 giây sau khi cấp nguồn. Nếu phát hiện thấy vết phồng rộp, nên thay thế lò sưởi.

Chiến lược kiểm soát để phòng ngừa
Cách tốt nhất để tránh hiện tượng phồng rộp do hơi nước là sử dụng chế độ khởi động mềm hoặc tăng tốc mềm. Đối với máy sưởi thông thường, một đoạn đường nối có thể lập trình giúp tăng dần công suất từ ​​0% lên 100% trong 10–30 giây sẽ giới hạn dq/dt ở mức 0,2–0,7 W/cm^2/giây. Thời gian tăng tốc phải được xác định tùy thuộc vào khối lượng của lò sưởi và điều kiện độ ẩm dự kiến. Điểm bắt đầu bảo toàn: thời gian tăng tốc (giây) bằng mật độ watt ở trạng thái ổn định (W/cm^2). Tăng 4-8 giây để sưởi ấm 4 W/cm2. Đối với máy sưởi được biết là có độ ẩm cao (thời gian không hoạt động kéo dài ở khu vực ẩm ướt), hãy sử dụng từ 15 đến 30 giây. Bạn có thể thực hiện-khởi động mềm bằng rơle trễ thời gian{22}}cơ bản và rơle trạng thái rắn-rắn (rẻ tiền, $50-150) hoặc bằng bộ điều khiển PID có thể lập trình với khả năng tăng tốc (Watlow, Omron, Eurotherm, v.v.). Đoạn đường nối sẽ được sử dụng cho mỗi lần khởi động chứ không chỉ sau khi mất điện. Đối với máy sưởi quay vòng nhiều (nhiều lần trong ngày), đoạn đường dốc ngắn (5-10 giây) là đủ vì độ ẩm không có cơ hội tích tụ nhiều giữa các chu kỳ.

Đối với các thông số kỹ thuật của máy sưởi mới, các kỹ sư nên yêu cầu quy trình thanh lọc độ ẩm, trong đó máy sưởi được làm nóng đến 120 độ trong điều kiện chân không hoặc dòng nitơ khô trong 24 giờ để loại bỏ độ ẩm ở bề mặt trước khi giao hàng. Nhà sản xuất đảm bảo độ ẩm dư < 1mg. Những máy sưởi như vậy có thể tồn tại ở mức dq/dt cao tới 5 W/cm2/giây. Mức chênh lệch giá là tối thiểu (cao hơn 10-20%) Đối với các ứng dụng thiết yếu không có khả năng khởi động mềm, hãy chọn "máy sưởi khô có nạp nitơ" và yêu cầu chứng nhận.

Kết luận: Bộ gia nhiệt tiêu chuẩn giới hạn dq/dt ở mức Nhỏ hơn hoặc bằng 1W/cm2/giây
Đối với bộ sưởi PFA thông thường, gradient công suất tối đa an toàn để tránh phồng rộp hơi nước bên trong là 0,5-1,0 W/cm^2/giây tương đương với thời gian tăng tốc là 4-10 giây để đạt công suất tối đa đối với bộ sưởi 4 W/cm^2. Độ dốc cao hơn làm tăng nhiệt độ ẩm còn sót lại tại phần tiếp xúc kim loại PFA{21}}, hình thành các vết phồng rộp hơi nước giãn nở theo từng chu kỳ nhiệt và cuối cùng vỡ ra, dẫn đến chạm đất. Việc phòng ngừa rất đơn giản và chi phí thấp bằng cách sử dụng bộ điều khiển khởi động mềm hoặc chức năng tăng tốc có thể lập trình. Độ dốc an toàn tăng lên 5-10 W/cm2/giây đối với máy sưởi có độ ẩm thấp được thiết lập (1 mg bằng cách sấy chân không). Nếu không có tài liệu như vậy, hãy giả định độ ẩm là 10–25 mg và sử dụng khoảng thời gian tăng tốc ít nhất 5 giây đối với máy sưởi lên đến 4 W/cm 2 . Hình phạt nhỏ về thời gian là không đáng kể so với chi phí thay thế máy sưởi và thời gian ngừng hoạt động của quy trình do lỗi liên quan đến vết phồng rộp. Các kỹ sư nên xác định dq/dt tối đa hoặc thời gian tăng tốc tối thiểu trong thông số kỹ thuật mua máy sưởi. Lò sưởi bị phồng rộp khi khởi động không phải do vật liệu gây ra lỗi - nó là nạn nhân của độ dốc công suất quá mức so với điều kiện độ ẩm của nó. Kiểm soát độ dốc, kiểm soát các vết phồng rộp.