เส้นผ่านศูนย์กลางเกลียว-ถึง-อัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางของขดลวดของคอยล์ต้านทานแบบฝังในเครื่องทำความร้อนแบบมีเปลือก 316 ควบคุมความร้อนสูงเกินเฉพาะที่ที่คอยล์อย่างไร-อินเทอร์เฟซการสนับสนุน

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่ควบคุมความสม่ำเสมอของการถ่ายเทความร้อนภายใน

สำหรับท่อความร้อนไฟฟ้าที่พันด้วยสแตนเลส 316 โดยปกติแล้วลวดต้านทานด้านในจะบิดเป็นขดเกลียวเพื่อให้ได้ความยาวความต้านทานที่ต้องการในปลอกขนาดเล็ก รูปทรงเกลียวถูกกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางเกลียว (D_helix) และเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวด (d_wire) อัตราส่วน D_helix/d_wire- โดยทั่วไปคือตั้งแต่ 3 ถึง 10 เป็นตัวกำหนดรูปแบบการสัมผัสโดยตรงระหว่างขดลวดและผนังด้านในของปลอก 316 (หรือชั้นฉนวน MgO) หากอัตราส่วนนี้ต่ำเกินไป (เกลียวแน่น D_helix/d_wire < 4) การหมุนของคอยล์ที่ต่อเนื่องกันจะมีระยะห่างที่แน่น และจุดร้อนเฉพาะจุดจะเกิดขึ้นเมื่อคอยล์สัมผัสกับ MgO หรือปลอก หากอัตราส่วนสูงเกินไป (เกลียวหลวม D_helix/d_wire > 8) คอยล์อาจมีหน้าสัมผัสไม่เท่ากัน และช่วงอิสระอาจพัฒนาซึ่งจำกัดการถ่ายเทความร้อนและทำให้ลวดร้อนเกินไป อัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุด D_helix/d_wire สำหรับการถ่ายเทความร้อนที่เป็นเนื้อเดียวกันและอายุการใช้งานที่ยาวนานที่สุดของคอยล์คือระหว่าง 5 ถึง 7 การเชื่อมโยงของอัตราส่วนเกลียว การกระจายอุณหภูมิ และความเสี่ยงของการเหนื่อยหน่ายของเครื่องทำความร้อนได้รับการแสดงเป็นปริมาณในบทความนี้

กลไกการถ่ายเทความร้อนบริเวณที่คอยล์สัมผัสกัน

The MgO powder squeezed between the resistance wire and the 316 sheath acts as an electrical insulator, but also transfers heat from the wire to the sheath. When the helical coil is in contact with the MgO, the contact is not continuous but consists of discrete spots or short line segments at which the wire is in contact with the MgO or, in poorly built heaters, is in direct contact with the inner sheath wall. Heat transfer is efficient at these contact locations due to the short thermal path. Heat has to pass through a thicker layer of MgO in the spaces between coil turns and the sheath, which has a reduced effective thermal conductivity (around 5-7 W/m·K at compaction densities >2.9 ก./ซม.3) สำหรับอัตราส่วนเกลียวเล็ก (เกลียวแน่น) การหมุนของคอยล์จะอยู่ใกล้กันและช่องว่างระหว่างวงเลี้ยวจะเล็ก อย่างไรก็ตาม แต่ละเทิร์นจะสร้างเงาความร้อนบนเปลือก - พื้นที่ใต้เทิร์นจะได้รับฟลักซ์ความร้อนสูง ในขณะที่พื้นที่ระหว่างเทิร์นจะได้รับฟลักซ์น้อยกว่า สิ่งนี้นำไปสู่ช่วงอุณหภูมิเส้นรอบวงบนผนังเปลือกด้านในที่ 20-50 องศา ทำให้เกิดการขยายตัวทางความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอและจุดร้อนเฉพาะที่บนลวดต้านทานที่ตำแหน่งที่มีการป้อนความร้อนสูงสุด

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างอัตราส่วนเกลียวและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ

เครื่องทำความร้อนแบบมีเปลือก 316 (OD 10 มม., ผนัง 1.5 มม., ลวด NiCr 0.50 มม.) ที่มีอัตราส่วน D_helix/d_wire ต่างกัน อัตราส่วนที่เหมาะสมสำหรับความสม่ำเสมอของอุณหภูมิถูกกำหนดโดยการตรวจสอบการทดลองโดยใช้เทอร์โมคัปเปิลที่ฝังอยู่

อัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางเกลียวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวด (D_helix/d_wire) ระยะห่างการหมุนของขดลวด (มม.) ความแปรผันของอุณหภูมิลวดสูงสุดตามขดลวด ( องศา ) ความแปรผันของอุณหภูมิเส้นรอบวงของปลอกสูงสุด ( องศา ) ปัจจัยจุดร้อน (สัมพันธ์กับความร้อนสม่ำเสมอ) เวลาในการเผาไหม้ของสายไฟที่ 8 วัตต์/ซม.2 (ชั่วโมง) 3.0 แน่น (เมื่อสัมผัส) 150-200 80-100 2.5× 500-1,000 ไม่มี 3.5 0.5-1.0 120-160 60-80 2.0× 1,000-2,0004.0 1.0-1.5 80-120 40-60 1.6× 2,000-4,000 ส่วนเพิ่ม 4.5 1.5-2.0 50-80 30-45 1.3× 4,000-7,000 ที่ยอมรับได้ 5.0 2.0-2.5 30-50 20-30 1.1× 7,000-12,000 หมายเลขที่แนะนำ
5.5 2.5-3.0 20-35 15-25 1.05× 10,000-15,000 แนะนำ 6.0 3.0-4.0 15-25 10-20 1.02× 12,000-18,000 แนะนำ
6.5 4.0-5.0 10-20 8-15 1.01× 15,000-20,000 ยอมรับได้
7.0 5.0-6.0 8-15 5-10 1.00× 18,000-22,000 ยอมรับได้ (ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ)
8.0 >6.0 15-30 (coil sag) 10-20 1.05× (sag point) 10,000-15,000 Marginal (เสี่ยงต่อการยุบของคอยล์)
การพึ่งพาความหนาแน่นของกำลังของอัตราส่วนเกลียวที่เหมาะสมที่สุด

The optimum ratio D_helix/d_wire relies on the power density of the heater. For low power densities (less than 5 W/cm^2), heat fluxes are relatively minor and a larger range of helix ratios (4.0-7.0) can be used since the temperature swings are fewer in absolute terms. At high power densities (>10 วัตต์/ซม.2) อัตราส่วนเกลียวที่ไม่เพียงพอทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุด ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากช่วงในอุดมคติแคบลงเหลือ 5.5-6.5 ตารางต่อไปนี้แสดงอัตราส่วนเกลียวที่แนะนำสำหรับความหนาแน่นของกำลังต่างๆ และอายุการใช้งานที่คาดหวัง

ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า (W/cm^2) อายุการใช้งานที่ต้องการ (ชั่วโมง) อัตราส่วน D_helix/d_wire อัตราส่วนที่แนะนำขั้นต่ำอัตราส่วนสูงสุด<4 >15,000 5.0-7.0 4.5 7.5 4-6 >15,000 5.0-6.5 4.8 7.0 4-6 10,000-15,000 4.5-7.0 4.2 7.5 6-8 >15,000 5.5-6.5 5.0 7.0 6-8 8,000-12,000 5.0-7.0 4.5 7.5 8-10 >12,000 5.5-6.0 5.2 6.5 8-10 6,000-10,000 5.0-6.5 4.8 7.0 >10 ข้อมูลจำเพาะเชิงปฏิบัติใดๆ 5.5-6.0 5.2 6.2 สำหรับเรขาคณิตเกลียว

ผู้บริโภคมักไม่พบรูปทรงเกลียวในเอกสารข้อมูลมาตรฐานซึ่งระบุเครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม 316 เครื่อง อย่างไรก็ตาม ขอแนะนำให้ใช้ภาษาข้อกำหนดต่อไปนี้สำหรับการใช้งานที่มีความหนาแน่นสูงหรือความน่าเชื่อถือสูง-: "เกลียวลวดต้านทานต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางเกลียว-ถึง-อัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางลวด (D_helix/d_wire) ระหว่าง 5.0 และ 6.5 และจะต้องได้รับการตรวจสอบโดยการวัดเครื่องทำความร้อนตัวอย่างจากแต่ละล็อตการผลิต การหมุนของคอยล์จะต้องมีระยะห่างสม่ำเสมอด้วย ศูนย์กลาง-ถึง-ระยะห่างระหว่างศูนย์กลาง 2.0 ถึง 3.5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวด"ผู้ผลิตควรตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่ากระบวนการบดอัด MgO จะไม่ทำให้เกลียวบิดเบี้ยว การลดการแกว่งที่มากเกินไป-อาจทำให้เกลียวยุบลงได้ โดยลดอัตราส่วน D_helix/d_wire ลงเหลือ 3-4 ในพื้นที่ที่มีการแปล ทำให้เกิดจุดร้อนที่ซ่อนอยู่

การวินิจฉัยภาคสนามของความล้มเหลวของอัตราส่วนเกลียว

สำหรับความล้มเหลวของฮีตเตอร์ที่มีอัตราส่วนเกลียวไม่เหมาะสม ลวดต้านทานที่เสียหายจะมีจุดร้อนหลายจุด ไม่มีจุดเหนื่อยหน่ายจุดเดียว ลวดอาจหลอมละลายหรือถูกออกซิไดซ์อย่างกว้างขวางที่บริเวณหน้าสัมผัสซึ่งขดลวดสัมผัสถูก MgO หรือเปลือก ในขณะที่ชิ้นส่วนข้างเคียงไม่แสดงความเสียหาย พื้นผิวด้านในของปลอก 316 อาจมีสีเข้มขึ้นในรูปแบบที่มีระยะห่างของการเกิดออกซิเดชันกว้าง 1-2 มม. ซึ่งสอดคล้องกับระยะห่างของแถบของขดลวดที่หมุนในช่วงเวลาเท่ากับระยะพิตช์ของการเลี้ยว หากอัตราส่วนเกลียวสูงเกินไป (เกลียวหลวม) รูปแบบการเปลี่ยนสีจะถูกกำหนดลักษณะโดยแถบที่แยกกันอย่างกว้างขวางและมีออกซิเดชันเพียงเล็กน้อยในแต่ละจุดสัมผัส อัตราส่วนที่สูงเกินไป (เกลียวหลวม) อาจส่งผลให้ลวดย้อยระหว่างจุดรองรับและความเหนื่อยหน่ายที่จุดกึ่งกลางย้อย สำหรับเครื่องทำความร้อนใดๆ ที่มีอาการเหนื่อยหน่ายโดยไม่ทราบสาเหตุโดยไม่มีสาเหตุภายนอก (ขนาด การกัดกร่อน ไฟแห้ง) แนะนำให้ทำการตรวจสอบรูปทรงของคอยล์แบบทำลายล้าง

สรุป: การกำหนดอัตราส่วนเกลียวเพื่อให้ความร้อนสม่ำเสมอและอายุการใช้งานยาวนาน

อัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางเกลียวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวด (D_helix/d_wire) เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบหุ้มสแตนเลส 316 ซึ่งกำหนดความสม่ำเสมอของการถ่ายเทความร้อนจากลวดต้านทานไปยังปลอก อัตราส่วนที่ต่ำกว่า 4.0 ทำให้เกิดฮอตสปอตเฉพาะจุดในบริเวณที่คอยล์สัมผัสกัน ส่งผลให้อายุการใช้งานของสายไฟลดลง 3-5 เท่า อัตราส่วนที่สูงกว่า 7.0 มีความเสี่ยงที่คอยล์จะหย่อนคล้อยและสูญเสียการสัมผัสที่สม่ำเสมอ สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ อัตราส่วนที่เหมาะสมคือ 5.0-6.5 ทำให้เกิดความสมดุลระหว่างความเป็นเนื้อเดียวกันในการถ่ายเทความร้อนและความเสถียรของคอยล์ ในกรณีที่จำเป็นต้องใช้ปลอก 316 เพื่อความหนาแน่นของกำลังสูงหรืออายุการใช้งานยาวนาน ข้อกำหนดรูปทรงเกลียวควรรวมอยู่ในข้อกำหนดการจัดซื้อ สถาปัตยกรรมที่ให้ไว้ที่นี่เชื่อมโยงอัตราส่วนเกลียวกับความแปรปรวนของอุณหภูมิและเวลาที่เหนื่อยหน่าย ทำให้ผู้ซื้อสามารถเลือกเครื่องทำความร้อนแบบหุ้มเปลือก 316 ที่มีการออกแบบคอยล์ภายในที่ปรับทั้งกำลังขับและอายุการใช้งานการทำงานให้เหมาะสมที่สุด