โรงงานเคมีแห่งหนึ่งเปรียบเทียบเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE ขนาด 4 kW สองเครื่องในบริการที่เหมือนกัน ทั้งสองได้รับการจัดอันดับสำหรับแรงดันไฟฟ้าและความหนาแน่นของวัตต์เท่ากัน ใช้สารตัวเติมแมกนีเซียมออกไซด์มาตรฐานหนึ่งตัว อีกอันใช้สารตัวเติมอลูมินา- เครื่องทำความร้อนที่เติมอลูมินา-ทำงานโดยมีอุณหภูมิของปลอกต่ำกว่า 8–12 องศาที่เอาท์พุตพลังงานเท่าเดิม และคงอยู่นานเกือบสองเท่าก่อนที่ความต้านทานของฉนวนจะลดลง ความแตกต่างไม่ใช่ปลอก PTFE มันเป็นสิ่งที่อยู่ข้างในนั้น
ตัวเติมภายในในเครื่องทำความร้อนแบบแช่มีจุดประสงค์สองประการ: ฉนวนไฟฟ้าองค์ประกอบความต้านทานจากปลอกโลหะ และนำความร้อนจากองค์ประกอบไปยังปลอกโลหะ แมกนีเซียมออกไซด์เป็นสารตัวเติมมาตรฐานมานานหลายทศวรรษ เนื่องจากมีราคาไม่แพง มีความเป็นฉนวนที่ดี และทนต่ออุณหภูมิสูงได้ แต่ค่าการนำความร้อนของ MgO-ประมาณ 30–40 W/m·K เมื่อมีการบดอัดอย่างหนาแน่น-นั้นไม่ใช่ค่าสูงสุดที่มีอยู่ อลูมินามีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า และการผสมกับ MgO จะช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนโดยไม่ทำให้ฉนวนไฟฟ้าเสียหาย
เส้นทางความร้อนภายในเครื่องทำความร้อน PTFE
ความร้อนที่เกิดจากลวดต้านทานจะต้องผ่านสามชั้นก่อนที่จะไปถึงของเหลวในกระบวนการ: MgO หรือตัวเติมอลูมินา ปลอกโลหะของส่วนประกอบภายใน และปลอกด้านนอก PTFE ผนัง PTFE เป็นตัวกั้นความร้อนที่ใหญ่ที่สุด แต่ฟิลเลอร์มีส่วนช่วยในการต้านทานที่วัดได้
สำหรับองค์ประกอบทั่วไปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. และวงแหวนตัวเติม 1.5 มม. อุณหภูมิที่ตกคร่อม MgO ที่ 1.2 วัตต์/ซม.² จะอยู่ที่ประมาณ 8–12 องศา การตกคร่อมผนัง PTFE อยู่ที่ 12–18 องศา การตกคร่อมชั้นการพาความร้อนอยู่ที่ 10–20 องศา ฝักรวม-ถึง-ช่องว่างจำนวนมาก: 30–50 องศา
การแทนที่ MgO ด้วยสารตัวเติมอลูมินา-จะช่วยลดการมีส่วนร่วมของสารตัวเติมลง 30–50% ช่องว่างทั้งหมดลดลง 3–6 องศา การลดลงดังกล่าวอาจดูเล็กน้อย แต่แปลโดยตรงเป็นอุณหภูมิปลอกที่ลดลง-และอุณหภูมิปลอกที่ต่ำลงหมายถึงการซึมผ่านที่ช้าลง การสะสมของตะกรันที่ช้าลง และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
| วัสดุฟิลเลอร์ | การนำความร้อน | ฟิลเลอร์ ΔT ที่ 1.2 วัตต์/ซม.² | เปลือกรวม ∆T | อายุการใช้งานสัมพัทธ์ |
|---|---|---|---|---|
| MgO มาตรฐาน | 30–35 W/m·K | 10–12 องศา | 38–48 องศา | พื้นฐาน |
| MgO ความหนาแน่นสูง- | 35–40 W/m·K | 8–10 องศา | 35–44 องศา | 1.1–1.2× |
| อลูมินา-MgO ที่ได้รับการปรับปรุง | 40–50 W/m·K | 6–8 องศา | 32–40 องศา | 1.3–1.5× |
| อลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง- | 50–60 W/m·K | 5–7 องศา | 30–38 องศา | 1.4–1.6× |
การนำความร้อนของฟิลเลอร์และผลกระทบต่ออุณหภูมิของปลอกและอายุการใช้งาน
เหตุใดอลูมินาจึงนำความร้อนได้ดีกว่า MgO
อลูมินา (Al₂O₃) มีค่าการนำความร้อน 30–35 W/m·K ในรูปแบบผลึกบริสุทธิ์ คล้ายกับ MgO แต่สารตัวเติมที่ใช้ในองค์ประกอบความร้อนไม่ใช่ผลึกเดี่ยว- แต่เป็นผงอัดแน่น ค่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาค ความหนาแน่นของการอัดตัว และการสัมผัสกันระหว่างอนุภาค
อนุภาคอลูมินามีความแข็งและเป็นมุมมากกว่าอนุภาค MgO พวกมันอัดแน่นมากขึ้นและสร้างจุดสัมผัสระหว่างอนุภาคที่อยู่ติดกันมากขึ้น จุดสัมผัสที่มากขึ้นหมายถึงเส้นทางที่ความร้อนไหลผ่านมากขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้คือค่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในฟิลเลอร์แบบอัดแน่น
อลูมินายังมีความเป็นฉนวนที่ดีกว่าที่อุณหภูมิสูงกว่า MgO ช่วยให้ฟิลเลอร์ถูกอัดแน่นมากขึ้นโดยไม่เสี่ยงต่อความเสียหายทางไฟฟ้า ซึ่งช่วยปรับปรุงการนำความร้อนให้ดียิ่งขึ้น
| คุณสมบัติฟิลเลอร์ | มก | อลูมินา-ปรับปรุงแล้ว | อลูมินาบริสุทธิ์ |
|---|---|---|---|
| ความแข็งของอนุภาค | ปานกลาง | สูง | สูงมาก |
| ความหนาแน่นของการบรรจุ | 2.8–3.1 ก./ซม.³ | 3.0–3.3 ก./ซม.³ | 3.2–3.5 ก./ซม.³ |
| ความเป็นฉนวน | 15–20 กิโลโวลต์/มม | 18–22 กิโลโวลต์/มม | 20–25 กิโลโวลต์/มม |
| การดูดซึมความชื้น | ดูดความชื้น | ปานกลาง | ต่ำ |
| ต้นทุนสัมพัทธ์ | ต่ำ | ปานกลาง | สูงกว่า |
การเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุตัวเติมสำหรับส่วนประกอบฮีตเตอร์แบบจุ่ม
ผลกระทบต่ออุณหภูมิฝักและอายุการใช้งาน
อุณหภูมิปลอกที่ลดลง 5–10 องศาอาจฟังดูไม่สำคัญ แต่ส่งผลต่ออายุการใช้งานอย่างไม่เป็นสัดส่วน การซึมผ่านและการโจมตีทางเคมีจะถูกกระตุ้นด้วยความร้อน อุณหภูมิปลอกที่ลดลงทุกๆ 10 องศาจะช่วยลดอัตราการซึมผ่านลงครึ่งหนึ่งโดยประมาณ ตลอดระยะเวลาหลายเดือนของการดำเนินงาน การลดลงดังกล่าวส่งผลให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้นอย่างมาก
ผลต่อการสะสมของตะกรันจะคล้ายกัน ตะกรันก่อตัวบนพื้นผิวที่ร้อนเป็นพิเศษ เครื่องทำความร้อนที่ทำงานด้วยความเย็น 8 องศาจะสะสมตะกรันได้ช้ากว่า ช่วยขยายช่วงเวลาระหว่างการทำความสะอาดที่จำเป็น และลดความเสี่ยงที่จุดร้อนจะก่อตัวใต้คราบสะสม
| การลดอุณหภูมิของฝัก | การเปลี่ยนแปลงอัตราการซึมผ่าน | การเปลี่ยนแปลงอัตราการสะสมของสเกล | การยืดอายุการใช้งานที่คาดหวัง |
|---|---|---|---|
| 3 องศา | ลดลง 20% | ลดลง 10–15% | 15–25% |
| 5 องศา | ลดลง 30% | ลดลง 15–25% | 25–40% |
| 8 องศา | ลดลง 45% | ลดลง 25–35% | 40–60% |
| 12 องศา | ลดลง 60% | ลดลง 35–50% | 60–90% |
ผลของการลดอุณหภูมิของฝักต่อการซึมผ่าน การปรับขนาด และอายุการใช้งาน
ความต้านทานต่อความชื้นและความคงตัวของอิเล็กทริก
สารตัวเติมอลูมินา-ยังให้ความต้านทานต่อความชื้นได้ดีกว่า MgO มาตรฐาน MgO ดูดความชื้นได้-โดยดูดซับความชื้นจากอากาศและจากของเหลวในกระบวนการที่แทรกซึมเข้าไปในปลอก PTFE อลูมินาดูดซับความชื้นน้อยลงและคงความเป็นฉนวนไว้ได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น
สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในเครื่องทำความร้อน PTFE โดยที่ปลอกเป็นเพียงสิ่งกีดขวางระหว่างของเหลวในกระบวนการและตัวตัวเติม หากความชื้นไปถึงฟิลเลอร์ ความต้านทานของฉนวนจะลดลง สารตัวเติมที่ต้านทานการดูดซับความชื้นจะรักษาความต้านทานของฉนวนให้สูงขึ้นได้ยาวนานขึ้น โดยขยายเวลาก่อนที่จะเกิดการสะดุดของกราวด์
เมื่ออลูมินา-สารตัวเติมที่ได้รับการปรับปรุงคุ้มค่ากับราคา
สารตัวเติมอลูมินา-ที่ปรับปรุงแล้วจะเพิ่มต้นทุนของส่วนประกอบทำความร้อน 10–20% ประโยชน์-อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นและอุณหภูมิปลอกที่ลดลง-ทำให้ต้นทุนในการใช้งานที่มีความต้องการสูงซึ่งการเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนมีราคาแพงหรือก่อกวน
ในการให้บริการที่ไม่รุนแรง-อุณหภูมิต่ำ ความหนืดต่ำ ของเหลวที่สะอาด- ประโยชน์ที่ได้จะมีน้อยกว่าและสารตัวเติม MgO มาตรฐานอาจเพียงพอ ในการให้บริการเชิงรุก-ของเหลวที่มีความหนืดสูง การ-สร้างสเกลทางเคมี-สารตัวเติมที่ได้รับการปรับปรุงด้วยอลูมินา-จะมอบการปรับปรุงที่วัดผลได้
| แอปพลิเคชัน | MgO มาตรฐาน | อลูมินา-ปรับปรุงแล้ว | คำแนะนำ |
|---|---|---|---|
| ล้างน้ำ,<60°C | เพียงพอ | ผลประโยชน์ส่วนเพิ่ม | MgO มาตรฐาน |
| ชุบกรด 60–70 องศา | ยอมรับได้ | ผลประโยชน์ปานกลาง | อลูมินา-ปรับปรุงแล้ว |
| ชุบนิกเกิล 55 องศา | ชายขอบ | ประโยชน์ดี | อลูมินา-ปรับปรุงแล้ว |
| นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า 88 องศา | ยากจน | ผลประโยชน์ที่สำคัญ | อลูมินา-ปรับปรุงแล้ว |
| กรดโครมิก 60 องศา | ชายขอบ | ประโยชน์ดี | อลูมินา-ปรับปรุงแล้ว |
คำแนะนำในการเลือกฟิลเลอร์ตามการใช้งาน
เมื่อฟิลเลอร์ทางเลือกไม่เพียงพอ
สารตัวเติมเป็นองค์ประกอบหนึ่งของเส้นทางความร้อน แม้แต่ตัวเติมที่ดีที่สุดก็ไม่สามารถชดเชยปลอก PTFE ที่หนาเกินไป ความหนาแน่นของวัตต์ที่สูงเกินไป หรือสภาวะการไหลที่ต่ำเกินไป การปรับปรุงสารตัวเติมจะเพิ่มขึ้นทีละน้อย- โดยจะลดอุณหภูมิของปลอกลงสองสามองศา ไม่ใช่หลายสิบองศา
ในการใช้งานที่อุณหภูมิปลอกสูงกว่าช่วงที่ปลอดภัยมาก วิธีแก้ไขคือลดความหนาแน่นของวัตต์ ปรับปรุงการไหล หรือเพิ่มพื้นที่ผิว การเลือกฟิลเลอร์เป็นการปรับแต่ง ไม่ใช่การแก้ไข
การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE แบบกำหนดเองจะรวมสารตัวเติมอลูมินา-เข้ากับความหนาแน่นวัตต์ต่ำ พื้นที่ผิวสูง และการเข้าถึงการไหลที่ดีขึ้น เพื่อลดอุณหภูมิของเปลือกในหลายด้านหน้า กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้เคมีของอ่าง อุณหภูมิในการทำงาน สภาวะการไหล และกำลังไฟที่ต้องการ สำหรับโรงงานที่มีความต้องการใช้งานสูง การรวมกันนี้จะทำให้มีอายุการใช้งานยาวนานที่สุด
