การไล่ระดับพลังงานสูงสุดที่ปลอดภัย (W/cm² ต่อวินาที) สำหรับเครื่องทำความร้อน PFA คืออะไรเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ไอน้ำพองภายใน

การเพิ่มพลังงานอย่างรวดเร็วของเครื่องทำความร้อน PFA จากสภาวะเย็นส่งผลให้แกนโลหะได้รับความร้อนอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับปลอก PFA โดยรอบ หากมีความชื้นเหลืออยู่ที่หน้าสัมผัสโลหะของ PFA- (โดยปกติคือ 5-50 มก. จากการผลิตหรือความชื้นที่ถูกดูดซับ) ความชื้นจะร้อนยวดยิ่งเป็นไอน้ำก่อนที่ PFA จะได้รับความร้อนเพียงพอที่จะทำให้เกิดการแพร่กระจาย แรงดันไอน้ำสูง (10–100 บาร์) จะช่วยยก PFA ออกจากแกนกลางและทำให้เกิดพุพอง เมื่อพัฒนาแล้ว พุพองที่เต็มไปด้วยไอน้ำ-จะทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน ส่งผลให้บริเวณนั้นร้อนขึ้นและพุพองจะขยายตัว พารามิเตอร์ที่สำคัญในการควบคุมการเกิดตุ่มพองไม่ใช่ความหนาแน่นของวัตต์ในสภาวะคงตัว แต่เป็นค่าการไล่ระดับพลังงาน: ความหนาแน่นของวัตต์เพิ่มขึ้นเร็วแค่ไหน (W/cm2/วินาที) สำหรับเครื่องทำความร้อน PFA ทั่วไปที่ไม่มีการป้องกันความชื้นเป็นพิเศษ การไล่ระดับพลังงานสูงสุดที่ปลอดภัยคือ 0.5 ถึง 1.0 W/cm2 ต่อวินาที แม้จะมีความหนาแน่นของวัตต์-ในสถานะคงที่ต่ำกว่าพิกัดต่อเนื่องของ PFA มาก ความหนาแน่นของวัตต์ที่มากกว่า 2–3 W/cm² ต่อวินาทีจะกระตุ้นให้เกิดการเผาไหม้ภายใน 10–50 รอบการเริ่มต้น

กลไกการพองตัวของไอน้ำและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
ส่วนต่อประสานโลหะของ PFA- ของเครื่องทำความร้อนใดๆ มีความชื้นตกค้างจากแหล่งสามแหล่ง: (1) น้ำที่ถูกดูดซับจากอากาศชื้นระหว่างการเก็บรักษา (PFA สามารถซึมผ่านไอน้ำได้) (2) การควบแน่นระหว่างรอบ-การเย็นลง และ (3) การผลิตสารตกค้าง เครื่องทำความร้อนแบบ "แห้ง" โดยปกติจะเติมน้ำ 5–20 มก. ตลอดแนวเชื่อมต่อเป็นระยะเวลา 1 ม. ในระหว่างการสตาร์ทขณะสตาร์ทขณะเครื่องเย็นและที่กำลังไฟเต็มกำลัง อุณหภูมิของแกนโลหะจะเพิ่มขึ้นด้วยอัตราที่กำหนดโดย dT/dt=(P×η)/(m×c_p) โดยที่ P คือกำลัง (W), η คือประสิทธิภาพ (หยาบคาย 0.95), m คือมวลแกนกลาง (ประมาณ 2–4 กิโลกรัมสำหรับเครื่องทำความร้อนขนาด 6 kW) และ c_p คือความร้อนจำเพาะของอินคอลอยย์ (ประมาณ 450 J/kg·K) สำหรับเครื่องทำความร้อนขนาด 6 kW ที่มีแกน 3 กิโลกรัม dT/dt=(6,000 x 0.95) / (3 x 450)=5,700 / 1,350=4.2 องศา /วินาที แกนกลางพุ่งแตะ 100C ใน (100-20)/4.2=19 วินาที พื้นผิวด้านนอกของ PFA เมื่อสัมผัสกับของเหลวเย็น จะอุ่นขึ้นช้ากว่ามาก พื้นผิวด้านในของ PFA (ถัดจากแกนกลาง) อยู่ที่ประมาณ 100 องศาที่ t=19 วินาที อย่างไรก็ตาม พื้นผิวด้านนอกอาจมีเพียง 30-40 องศาเท่านั้น อุณหภูมิตลอดทั้งผนังที่ t=19 วินาที อยู่ที่ 60-70 องศา

น้ำที่สัมผัสจะเดือดที่ 100 องศา การเปลี่ยนสถานะอย่างรวดเร็วจากของเหลวเป็นไอส่งผลให้ปริมาตรเพิ่มขึ้น 1,600 เท่า ช่องว่างอินเทอร์เฟซ (0.1-1.0 µm) น้อยเกินไปที่จะรองรับการขยายตัวนี้ และแรงดันเพิ่มขึ้นเป็น 10-100 บาร์ ในพื้นที่ PFA จะให้ผลผลิตและเกิดตุ่มพอง - ช่องที่แยกออกจากกันซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไป 2-10 มม. ตุ่มพองเต็มไปด้วยไอน้ำที่มีค่าการนำความร้อน ~0.02 W/m·K (ต่ำกว่า PFA 10 เท่า) บริเวณตุ่มพองเป็นจุดร้อน อุณหภูมิท้องถิ่นจะสูงขึ้น 20–50 องศา แต่ละครั้งที่เกิดเหตุการณ์นี้ ตุ่มพองจะมีขนาดใหญ่ขึ้นและดึงความชื้นจากบริเวณโดยรอบ ตุ่มพองสามารถแตกออกได้ใน 10–100 รอบ และทำให้แกนโลหะสัมผัสกับของเหลวในกระบวนการ ส่งผลให้เกิดความผิดปกติของกราวด์อย่างกะทันหัน

ขีดจำกัดของการไล่ระดับพลังงานตามสถานะเครื่องทำความร้อน
ปริมาณความชื้นที่ส่วนต่อประสานสภาพความชื้นของเครื่องทำความร้อน (ความยาว มก./ม.)สูงสุด dq/dt (W/cm2.s) ปลอดภัย คงที่สูงสุด-สถานะ q (W/cm2) เวลาในการใช้พลังงานเต็ม (สำหรับฮีตเตอร์ 4 W/cm2) การควบคุมการสตาร์ทที่แนะนำ
การทำให้แห้งแบบสุญญากาศหรือไล่ไนโตรเจน 1 มก. 5-100.4 ถึง 0.8 วินาที มากถึง 5 เริ่มต้นได้ดี
ใหม่จากโรงงาน (การจัดเก็บแบบแห้ง)5-10 มก. 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 วินาที สตาร์ทแบบนุ่มนวล (ทางลาด 3-5 วินาที)
มาตรฐานที่ใช้งานในสภาพอากาศชื้น10–25 มก. 1.0–1.5 3–4 2.7–4.0 วินาทีการควบคุมการเปลี่ยนความเร็ว (5 ถึง 10 วินาที)
Aged (>การบริการแบบชื้น 2 ปี) 25-50 มก. 0.5-1.0 2-3 4-8 วินาที การลาดอย่างช้าๆ (10-20 วินาที)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 มก. 0.2–0.4 1–2 10–20 วินาที แห้งก่อนการใช้งาน เริ่มต้นช้ามาก
เครื่องทำความร้อนที่มีตุ่มพองก่อนหน้านี้ (เห็นหรือรู้สึกได้) ตัวแปร N/AN/AN/A เปลี่ยนเครื่องทำความร้อน ไม่สามารถกู้คืนได้
การตรวจสอบในภาคสนามและการคำนวณเชิงปฏิบัติ
วิธีพิจารณาความชันของกำลังของการติดตั้งที่มีอยู่: วัดเวลาตั้งแต่การเปิดเครื่องทำความร้อน (ที่เอาต์พุตของตัวควบคุม) จนถึงเวลาที่เครื่องทำความร้อนถึงกำลังไฟในสถานะคงที่ สำหรับฮีตเตอร์ต้านทานแบบควบคุมการเปิด/ปิดแบบธรรมดา จะมีการจ่ายกำลังเต็มทันที-การไล่ระดับนั้นแทบไม่มีขีดจำกัดในช่วงมิลลิวินาทีแรก นั่นเป็นความเสี่ยง การไล่ระดับสี=(ความหนาแน่นของกำลังสุดท้าย)/(ระยะเวลาทางลาด) สำหรับการควบคุม SCR ของมุมเฟส- ด้วยการเริ่มทางลาดแบบนุ่มนวล ตัวอย่าง: เครื่องทำความร้อนขนาด 6 kW ที่มีพื้นที่ผิว 0.1 m2 (qfinal=6 W/cm2) และช่วงเปลี่ยนความเร็ว 10 วินาทีจะสร้าง dq/dt=6 / 10=0.6 W/cm2 ต่อวินาที - ปลอดภัย dq/dt=3 W/cm² ต่อวินาที เวลาเปลี่ยนความเร็ว 2 วินาที - เป็นอันตรายต่อเครื่องทำความร้อนส่วนใหญ่

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 ถึง 100-500 MΩ เมื่ออุ่นขึ้นแสดงถึงการเคลื่อนตัวของความชื้นและอาจเกิดพุพอง (2) ใช้นิ้วลากไปตามพื้นผิว PFA โดยปิดเครื่องทำความร้อนและทำให้เย็นลง แผลพุพองจะมีลักษณะเป็นก้อนเล็กๆ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1-5 มม. นูนขึ้นเล็กน้อย) (3) สามารถใช้กล้องอินฟราเรดในระหว่างการสตาร์ทเพื่อตรวจจับบริเวณตุ่มพองเป็นจุดร้อนเฉพาะที่ (5-20C เหนือเปลือกโดยรอบ) ภายใน 30-60 วินาทีของการใช้พลังงาน หากพบตุ่มควรเปลี่ยนฮีตเตอร์

กลยุทธ์การควบคุมการป้องกัน
วิธีที่ดีที่สุดในการหลีกเลี่ยงไม่ให้ไอน้ำพองคือการใช้การสตาร์ทแบบนุ่มนวล-หรือทางลาดจ่ายกำลัง สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบทั่วไป ทางลาดที่ตั้งโปรแกรมได้ซึ่งจะค่อยๆ เพิ่มกำลังจาก 0% เป็น 100% ในระยะเวลา 10–30 วินาทีจำกัด dq/dt เป็น 0.2–0.7 W/cm^2/วินาที ควรกำหนดเวลาเพิ่มความเร็วโดยขึ้นอยู่กับมวลของเครื่องทำความร้อนและสภาพความชื้นที่คาดหวัง จุดเริ่มต้นแบบอนุรักษ์นิยม: เวลาที่ใช้เปลี่ยนความเร็วเท่ากับความหนาแน่นของวัตต์ในสภาวะคงตัว (W/cm^2) เร่ง 4-8 วินาทีเพื่อให้ความร้อน 4 W/cm2 สำหรับเครื่องทำความร้อนที่ทราบกันว่ามีความชื้นสูง (ยืดระยะเวลาที่ไม่ได้ใช้งานในบริเวณที่มีความชื้น) ให้ใช้เวลา 15 ถึง 30 วินาที การสตาร์ทแบบนุ่มนวล-สามารถทำได้โดยใช้รีเลย์หน่วงเวลา-พื้นฐานและโซลิดสเตตรีเลย์- (ราคาไม่แพง 50-150 เหรียญสหรัฐ) หรือด้วยตัวควบคุม PID ที่ตั้งโปรแกรมได้ซึ่งมีความสามารถของทางลาด (Watlow, Omron, Eurotherm ฯลฯ) ทางลาดจะต้องใช้สำหรับการสตาร์ทแต่ละครั้ง และไม่ใช่เฉพาะหลังจากไฟฟ้าขัดข้องเท่านั้น สำหรับเครื่องทำความร้อนที่หมุนเวียนมาก (หลายครั้งต่อวัน) การไล่ระดับสั้นๆ (5-10 วินาที) ก็เพียงพอแล้ว เนื่องจากความชื้นไม่มีโอกาสสะสมมากนักระหว่างรอบ

สำหรับข้อกำหนดเครื่องทำความร้อนใหม่ วิศวกรควรขอขั้นตอนการไล่ความชื้น โดยเครื่องทำความร้อนได้รับความร้อนถึง 120 องศาภายใต้สุญญากาศหรือการไหลของไนโตรเจนแห้งเป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อขจัดความชื้นของส่วนต่อประสานก่อนส่งมอบ ผู้ผลิตรับประกันความชื้นตกค้าง < 1 มก. เครื่องทำความร้อนดังกล่าวสามารถอยู่รอดได้ dq/dt สูงถึง 5 W/cm2/วินาที ราคาต่างกันเพียงเล็กน้อย (พรีเมียม 10-20%) สำหรับการใช้งานที่จำเป็นซึ่งไม่สามารถสตาร์ทแบบนุ่มนวลได้ ให้เลือก "เครื่องทำความร้อนแบบแห้งพร้อมไนโตรเจนทดแทน" และขอการรับรอง

สรุป : เครื่องทำความร้อนมาตรฐานจำกัด dq/dt ให้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1 วัตต์/ซม.2/วินาที
สำหรับเครื่องทำความร้อน PFA ทั่วไป การไล่ระดับพลังงานสูงสุดที่ปลอดภัยเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ไอน้ำพองภายในคือ 0.5-1.0 วัตต์/ซม.^2/วินาที เทียบเท่ากับเวลาเปลี่ยนความเร็วที่ 4-10 วินาทีจนเต็มกำลังสำหรับเครื่องทำความร้อน 4 วัตต์/ซม.^2 การไล่ระดับที่สูงขึ้นจะทำให้ความชื้นที่เหลือร้อนยิ่งยวดที่หน้าสัมผัสโลหะของ PFA- ทำให้เกิดฟองไอน้ำที่ขยายตัวตามรอบการให้ความร้อนแต่ละรอบ และสุดท้ายจะแตกออก ซึ่งนำไปสู่ความผิดปกติของกราวด์ การป้องกันทำได้ตรงไปตรงมาและมีค่าใช้จ่ายถูก โดยใช้ตัวควบคุม-การสตาร์ทแบบนุ่มนวลหรือฟังก์ชันทางลาดที่ตั้งโปรแกรมได้ การไล่ระดับที่ปลอดภัยเพิ่มขึ้นเป็น 5-10 วัตต์/ซม.2/วินาที สำหรับเครื่องทำความร้อนที่มีปริมาณความชื้นต่ำ (1 มก. โดยการทำให้แห้งแบบสุญญากาศ) หากไม่มีเอกสารดังกล่าว สมมติว่ามีความชื้น 10–25 มก. และใช้ช่วงเปลี่ยนความเร็วอย่างน้อย 5 วินาทีสำหรับเครื่องทำความร้อนที่มีขนาดไม่เกิน 4 วัตต์/ซม. 2 . ค่าปรับเวลาเพียงเล็กน้อยนั้นถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนและการหยุดทำงานของกระบวนการเนื่องจากความล้มเหลวเกี่ยวกับตุ่มพอง วิศวกรควรกำหนดเวลาสูงสุด dq/dt หรือเวลาเปลี่ยนขั้นต่ำในข้อกำหนดการซื้อเครื่องทำความร้อน เครื่องทำความร้อนพุพองเมื่อสตาร์ทเครื่องไม่ได้เกิดจากวัสดุเสียหาย แต่เป็นเหยื่อของการไล่ระดับพลังงานที่มากเกินไปเมื่อเทียบกับสภาพความชื้น ควบคุมการไล่ระดับ ควบคุมการเกิดตุ่ม