Ķīmiskā rūpnīca salīdzināja divus 4 kW PTFE iegremdējamos sildītājus identiski. Abi tika novērtēti ar tādu pašu spriegumu un vatu blīvumu. Viena izmantota standarta magnija oksīda pildviela. Otra izmantoja ar alumīnija oksīdu{4}}pastiprinātu pildvielu. Alumīnija -pildītais sildītājs darbojās ar par 8–12 grādiem zemāku apvalka temperatūru ar tādu pašu jaudu, un tas darbojās gandrīz divreiz ilgāk, pirms samazinājās izolācijas pretestība. Atšķirība nebija PTFE apvalks. Tas bija tas, kas tajā bija iekšā.
Iegremdējamā sildītāja iekšējam pildījumam ir divi mērķi: tas elektriski izolē pretestības elementu no metāla apvalka un vada siltumu no elementa uz apvalku. Magnija oksīds ir bijis standarta pildviela jau vairākus gadu desmitus, jo tas ir lēts, tam ir laba dielektriskā izturība un tas iztur augstu temperatūru. Taču MgO siltumvadītspēja -aptuveni 30–40 W/m·K, kad tas ir blīvi sablīvēts,{5}}nav augstākā pieejamā. Alumīnija oksīds nodrošina augstāku vadītspēju, un tā sajaukšana ar MgO uzlabo siltuma pārnesi, nezaudējot elektrisko izolāciju.
Termiskais ceļš PTFE sildītājā
Siltumam, ko rada pretestības stieple, pirms procesa šķidruma sasniegšanas jāšķērso trīs slāņi: MgO vai alumīnija oksīda pildviela, iekšējā elementa metāla apvalks un PTFE ārējais apvalks. PTFE siena ir lielākā termiskā barjera, bet pildviela nodrošina izmērāmu pretestību.
Tipiskam elementam ar 6 mm diametru un 1,5 mm pildvielas gredzenu temperatūras kritums pāri MgO pie 1,2 W/cm² ir aptuveni 8–12 grādi. Kritums pāri PTFE sienai ir 12–18 grādi. Kritums pāri konvekcijas robežslānim ir 10–20 grādi. Kopējā apvalka-līdz-atšķirība: 30–50 grādi.
MgO aizstāšana ar alumīnija oksīda{0}}uzlabotu pildvielu samazina pildvielas devu par 30–50%. Kopējā plaisa samazinās par 3–6 grādiem. Šis samazinājums var šķist neliels, taču tas tieši nozīmē zemāku apvalka temperatūru{7}}un zemāka apvalka temperatūra nozīmē lēnāku caurlaidību, lēnāku katlakmens nogulsnēšanos un ilgāku kalpošanas laiku.
| Pildījuma materiāls | Siltumvadītspēja | Pildviela ΔT pie 1,2 W/cm² | Kopējais apvalks ΔT | Relatīvais kalpošanas laiks |
|---|---|---|---|---|
| Standarta MgO | 30–35 W/m·K | 10-12 grādi | 38-48 grādi | Pamatlīnija |
| Augsta{0}}blīvuma MgO | 35–40 W/m·K | 8-10 grādi | 35-44 grādi | 1.1–1.2× |
| Alumīnija oksīds{0}}pastiprināts MgO | 40–50 W/m·K | 6-8 grādi | 32-40 grādi | 1.3–1.5× |
| Augstas{0}}tīrības alumīnija oksīds | 50–60 W/m·K | 5-7 grādi | 30-38 grādi | 1.4–1.6× |
Pildvielas siltumvadītspēja un tās ietekme uz apvalka temperatūru un kalpošanas laiku
Kāpēc alumīnija oksīds vada siltumu labāk nekā MgO
Alumīnija oksīda (Al2O3) siltumvadītspēja tīrā kristāliskā formā ir 30–35 W/m·K, līdzīgi kā MgO. Bet sildelementos izmantotā pildviela nav viens kristāls,{3}}tas ir saspiests pulveris. Efektīvā siltumvadītspēja ir atkarīga no daļiņu izmēra, iepakojuma blīvuma un kontakta starp daļiņām.
Alumīnija oksīda daļiņas ir cietākas un leņķiskākas nekā MgO daļiņas. Tie iesaiņojas blīvāk un rada vairāk saskares punktu starp blakus esošajām daļiņām. Vairāk kontaktpunktu nozīmē vairāk ceļu siltuma plūsmai. Rezultāts ir augstāka efektīvā siltumvadītspēja blīvētajā pildvielā.
Alumīnija oksīdam ir arī labāka dielektriskā izturība augstās temperatūrās nekā MgO. Tas ļauj pildvielu blīvāk sablietēt, neriskējot ar elektrisko pārrāvumu, kas vēl vairāk uzlabo siltumvadītspēju.
| Pildījuma īpašums | MgO | Alumīnija oksīds-Uzlabots | Tīrs alumīnija oksīds |
|---|---|---|---|
| Daļiņu cietība | Mērens | Augsts | Ļoti augsts |
| Iepakojuma blīvums | 2,8–3,1 g/cm³ | 3,0–3,3 g/cm³ | 3,2–3,5 g/cm³ |
| Dielektriskā izturība | 15–20 kV/mm | 18–22 kV/mm | 20–25 kV/mm |
| Mitruma absorbcija | Higroskopisks | Mērens | Zems |
| Relatīvās izmaksas | Zems | Mērens | Augstāks |
Pildvielu īpašību salīdzinājums iegremdējamā sildītāja elementiem
Ietekme uz apvalka temperatūru un kalpošanas laiku
Apvalka temperatūras pazemināšanās par 5–10 grādiem var neizklausīties būtiski, taču tai ir nesamērīga ietekme uz kalpošanas laiku. Caurlaidība un ķīmiskais uzbrukums tiek termiski aktivizēti. Katrs apvalka temperatūras pazeminājums par 10 grādiem samazina caurlaidības ātrumu aptuveni uz pusi. Darbības mēnešu laikā šis samazinājums ievērojami pagarina kalpošanas laiku.
Ietekme uz katlakmens nogulsnēšanos ir līdzīga. Zvīņas veidojas galvenokārt uz karstām virsmām. Sildītājs, kas darbojas ar 8 grādu dzesētāju, lēnāk uzkrājas katlakmens, pagarinot intervālu starp nepieciešamajām tīrīšanām un samazinot risku, ka zem nogulsnes veidosies karstie punkti.
| Apvalka temperatūras samazināšana | Caurlaidības ātruma maiņa | Mēroga nogulsnēšanās ātruma maiņa | Paredzamais kalpošanas laika pagarinājums |
|---|---|---|---|
| 3 grādu | 20% zemāks | 10–15% zemāks | 15–25% |
| 5 grādu | 30% zemāks | 15–25% zemāks | 25–40% |
| 8 grādi | 45% zemāks | 25–35% zemāks | 40–60% |
| 12 grādi | 60% zemāks | 35–50% zemāks | 60–90% |
Apvalka temperatūras samazināšanas ietekme uz caurlaidību, mērogošanu un kalpošanas laiku
Mitrumizturība un dielektriskā stabilitāte
Alumīnija oksīda{0}}papildvielas nodrošina arī labāku mitruma izturību nekā standarta MgO. MgO ir higroskopisks{2}}tas absorbē mitrumu no gaisa un procesa šķidrumiem, kas caurstrāvo PTFE apvalku. Alumīnija oksīds absorbē mazāk mitruma un labāk saglabā savu dielektrisko izturību mitrā vidē.
Tas ir īpaši svarīgi PTFE sildītājos, kur apvalks ir vienīgā barjera starp procesa šķidrumu un pildvielu. Ja mitrums sasniedz pildvielu, izolācijas pretestība samazinās. Pildviela, kas ir izturīga pret mitruma uzsūkšanos, ilgāk saglabā augstāku izolācijas pretestību, pagarinot laiku pirms zemes defekta izslēgšanas.
Kad alumīnija oksīda{0}}pildvielas ir izmaksu vērtas
Alumīnija -uzlabotās pildvielas palielina sildelementa izmaksas par 10–20%. Ieguvums-garāks kalpošanas laiks un zemāka apvalka temperatūra-attaisno izmaksas prasīgos lietojumos, kur sildītāja nomaiņa ir dārga vai traucējoša.
Vieglā ekspluatācijā-zema temperatūra, zema viskozitāte, tīri šķidrumi-ieguvums ir mazāks, un standarta MgO pildviela var būt piemērota. Agresīvā ekspluatācijā-augsta temperatūra, viskozi šķidrumi, katlakmens-veidojošās ķīmiskās vielas-alumīnija-uzlabotā pildviela nodrošina izmērāmus uzlabojumus.
| Pieteikums | Standarta MgO | Alumīnija oksīds-Uzlabots | Ieteikums |
|---|---|---|---|
| Skalošana ar ūdeni,<60°C | Adekvāta | Robežlabums | Standarta MgO |
| Skābes pārklājums, 60–70 grādi | Pieņemams | Mērens ieguvums | Alumīnija oksīds-uzlabots |
| Niķelēšana, 55 grādi | Margināls | Labs ieguvums | Alumīnija oksīds-uzlabots |
| Bezelektrisks niķelis, 88 grādi | Nabaga | Ievērojams ieguvums | Alumīnija oksīds-uzlabots |
| Hromskābe, 60 grādi | Margināls | Labs ieguvums | Alumīnija oksīds-uzlabots |
Pildvielas izvēles ieteikumi pēc pielietojuma
Ja ar pildvielu izvēli nepietiek
Pildviela ir viena no siltuma ceļa sastāvdaļām. Pat labākā pildviela nevar kompensēt pārāk biezu PTFE apvalku, pārāk lielu vatu blīvumu vai pārāk zemu plūsmas stāvokli. Pildvielas uzlabojums ir pakāpenisks,{2}}tas samazina apvalka temperatūru par dažiem grādiem, nevis par desmitiem grādu.
Lietojumos, kur apvalka temperatūra ir daudz virs drošā diapazona, risinājums ir samazināt vatu blīvumu, uzlabot plūsmu vai palielināt virsmas laukumu. Pildvielas izvēle ir precizējums, nevis labojums.
Pielāgota PTFE iegremdējamā sildītāja konfigurācija apvieno alumīnija oksīda{0}}pildvielas ar zemu vatu blīvumu, lielu virsmas laukumu un uzlabotu piekļuvi plūsmai, lai samazinātu apvalka temperatūru vairākās frontēs. Specifikācijas procesam ir nepieciešama vannas ķīmija, darba temperatūra, plūsmas apstākļi un nepieciešamā jauda. Iekārtām ar prasīgiem lietojumiem šī kombinācija nodrošina visilgāko kalpošanas laiku.
