Keemiatehas võrdles kahte 4 kW PTFE sukelsoojendit identse kasutusega. Mõlemad olid hinnatud sama pinge ja vattiheduse jaoks. Üks kasutatud standardset magneesiumoksiidi täiteainet. Teine kasutas alumiiniumoksiidiga -täiendavat täiteainet. Alumiiniumoksiid-täidisega küttekeha töötas sama võimsuse juures 8–12 kraadi madalama ümbrise temperatuuriga ja kestis peaaegu kaks korda kauem, enne kui isolatsioonitakistus vähenes. Erinevus ei olnud PTFE ümbris. See oli see, mis selle sees oli.
Sukelküttekeha sisemisel täiteainel on kaks eesmärki: see isoleerib elektriliselt takistuselemendi metallkestast ja juhib soojust elemendist kesta. Magneesiumoksiid on olnud tavaline täiteaine aastakümneid, kuna see on odav, hea dielektrilise tugevusega ja talub kõrgeid temperatuure. Kuid MgO soojusjuhtivus -ligikaudu 30–40 W/m·K tihedalt tihendatuna-ei ole kõrgeim saadaolev. Alumiiniumoksiid pakub suuremat juhtivust ja selle segamine MgO-ga parandab soojusülekannet ilma elektriisolatsiooni ohverdamata.
Termiline tee PTFE-küttekeha sees
Takistustraadi poolt tekitatud soojus peab enne protsessivedelikku jõudmist läbima kolm kihti: MgO või alumiiniumoksiidi täiteaine, sisemise elemendi metallkest ja PTFE väliskest. PTFE sein on suurim soojustõke, kuid täiteaine annab mõõdetava takistuse.
Tüüpilise 6 mm läbimõõduga ja 1,5 mm täiterõngaga elemendi puhul on MgO temperatuurilangus 1,2 W/cm² juures ligikaudu 8–12 kraadi. Langus üle PTFE seina on 12–18 kraadi. Langus üle konvektiivse piirkihi on 10–20 kraadi. Katte kogu-ja-vahe: 30–50 kraadi .
MgO asendamine alumiiniumoksiid{0}}täidisega vähendab täiteaine sisaldust 30–50%. Kogu vahe väheneb 3–6 kraadi võrra. See vähenemine võib tunduda väike, kuid see väljendub otseselt ümbrise madalamas temperatuuril-ja madalam ümbrise temperatuur tähendab aeglasemat läbitungimist, aeglasemat katlakivi sadestumist ja pikemat kasutusiga.
| Täitematerjal | Soojusjuhtivus | Täiteaine ΔT 1,2 W/cm² | Kogu kest ΔT | Suhteline kasutusiga |
|---|---|---|---|---|
| Standardne MgO | 30–35 W/m·K | 10-12 kraadi | 38-48 kraadi | Lähtejoon |
| Kõrge{0}}tihedusega MgO | 35–40 W/m·K | 8-10 kraadi | 35-44 kraadi | 1.1–1.2× |
| Alumiiniumoksiid{0}}täiustatud MgO | 40–50 W/m·K | 6-8 kraadi | 32-40 kraadi | 1.3–1.5× |
| Kõrge{0}}puhtusastmega alumiiniumoksiid | 50–60 W/m·K | 5-7 kraadi | 30-38 kraadi | 1.4–1.6× |
Täiteaine soojusjuhtivus ja selle mõju ümbrise temperatuurile ja kasutuseale
Miks alumiiniumoksiid juhib soojust paremini kui MgO
Alumiiniumoksiidi (Al₂O3) soojusjuhtivus on puhtal kristalsel kujul 30–35 W/m·K, mis on sarnane MgO-ga. Kuid kütteelementides kasutatav täiteaine ei ole monokristall, -see on tihendatud pulber. Efektiivne soojusjuhtivus sõltub osakeste suurusest, tihedusest ja osakeste kokkupuutest.
Alumiiniumoksiidi osakesed on kõvemad ja nurgelisemad kui MgO osakesed. Need pakivad tihedamalt ja loovad rohkem kokkupuutepunkte naaberosakeste vahel. Rohkem kontaktpunkte tähendab rohkem soojuse voolamise teid. Tulemuseks on tihendatud täiteaine suurem efektiivne soojusjuhtivus.
Samuti on alumiiniumoksiidil kõrgel temperatuuril parem dielektriline tugevus kui MgO. See võimaldab täiteainet tihendada tihedamalt, ilma elektrikatkestuse ohtu seadmata, mis parandab veelgi soojusjuhtivust.
| Täiteaine omadus | MgO | Alumiiniumoksiid-Täiustatud | Puhas alumiiniumoksiid |
|---|---|---|---|
| Osakeste kõvadus | Mõõdukas | Kõrge | Väga kõrge |
| Pakendi tihedus | 2,8–3,1 g/cm³ | 3,0–3,3 g/cm³ | 3,2–3,5 g/cm³ |
| Dielektriline tugevus | 15–20 kV/mm | 18–22 kV/mm | 20–25 kV/mm |
| Niiskuse imendumine | Hügroskoopne | Mõõdukas | Madal |
| Suhteline kulu | Madal | Mõõdukas | Kõrgem |
Sukelküttekeha elementide täitematerjali omaduste võrdlus
Mõju ümbrise temperatuurile ja kasutusajale
5–10 kraadine ümbrise temperatuuri alandamine ei pruugi kõlada märkimisväärsena, kuid sellel on ebaproportsionaalselt suur mõju kasutuseale. Läbilaskvus ja keemiline rünnak aktiveeritakse termiliselt. Iga 10-kraadine ümbrise temperatuuri langus vähendab läbilaskevõimet ligikaudu poole võrra. Kuude kasutusaja jooksul tähendab see vähendamine kasutusea olulist pikenemist.
Mõju katlakivi sadestumisele on sarnane. Katlakivi moodustub eelistatavalt kuumadel pindadel. 8-kraadise jahutiga küttekeha kogub katlakivi aeglasemalt, pikendades vajalike puhastuste vahelist intervalli ja vähendades kuumade kohtade tekkimise ohtu sademe alla.
| Katte temperatuuri alandamine | Läbitungimiskiiruse muutus | Skaala sadestamise määra muutus | Eeldatav kasutusea pikenemine |
|---|---|---|---|
| 3 kraadi | 20% madalam | 10–15% madalam | 15–25% |
| 5 kraadi | 30% madalam | 15–25% madalam | 25–40% |
| 8 kraadi | 45% madalam | 25–35% madalam | 40–60% |
| 12 kraadi | 60% madalam | 35–50% madalam | 60–90% |
Katte temperatuuri alandamise mõju läbilaskvusele, katlakivile ja kasutusajale
Niiskuskindlus ja dielektriline stabiilsus
Alumiiniumoksiid{0}}täidised pakuvad ka paremat niiskuskindlust kui tavaline MgO. MgO on hügroskoopne{2}}neelab niiskust õhust ja protsessivedelikest, mis läbivad PTFE kesta. Alumiinium imab vähem niiskust ja säilitab paremini oma dielektrilise tugevuse niiskes keskkonnas.
See on eriti oluline PTFE-soojendite puhul, kus ümbris on ainsaks takistuseks protsessivedeliku ja täiteaine vahel. Kui niiskus jõuab täiteaineni, väheneb isolatsioonitakistus. Niiskuseimavusele vastupidav täiteaine säilitab kauem isolatsioonikindluse, pikendades aega enne maandusrikke väljalülitamist.
Kui alumiiniumoksiidist{0}}täiustatud täiteained on oma hinda väärt
Alumiiniumoksiid{0}}täidised lisavad kütteelemendi maksumusele 10–20%. Kasu -pikem kasutusiga ja madalam ümbrise temperatuur-õigustab kulusid nõudlikes rakendustes, kus küttekeha asendamine on kulukas või häiriv.
Kerge kasutuse korral-madal temperatuur, madal viskoossus, puhtad vedelikud- on kasu väiksem ja tavaline MgO täiteaine võib olla piisav. Agressiivse kasutuse korral-kõrge temperatuur, viskoossed vedelikud, katlakivi-moodustavad keemilised ühendid-alumiiniumoksiidi-täidis annab mõõdetavaid täiustusi.
| Rakendus | Standardne MgO | Alumiiniumoksiid-Täiustatud | Soovitus |
|---|---|---|---|
| Vee loputus,<60°C | Piisav | Piirkasu | Standardne MgO |
| Happega katmine, 60–70 kraadi | Vastuvõetav | Mõõdukas kasu | Alumiiniumoksiid-täiustatud |
| Nikkeldatud, 55 kraadi | Marginaalne | Hea kasu | Alumiiniumoksiid-täiustatud |
| Elektrivaba nikkel, 88 kraadi | Vaene | Märkimisväärne kasu | Alumiiniumoksiid-täiustatud |
| Kroomhape, 60 kraadi | Marginaalne | Hea kasu | Alumiiniumoksiid-täiustatud |
Täiteaine valiku soovitused rakenduse järgi
Kui täiteaine valikust ei piisa
Täiteaine on soojustee üks komponent. Isegi parim täiteaine ei suuda kompenseerida liiga paksu PTFE kesta, liiga suurt vattihedust või liiga madalat voolutingimust. Täiteaine täiustamine toimub järk-järgult-see vähendab ümbrise temperatuuri mõne kraadi, mitte kümnete kraadide võrra.
Rakendustes, kus ümbrise temperatuur on ohutust kõrgem, on lahenduseks vähendada vattihedust, parandada voolu või suurendada pindala. Täiteaine valik on täpsustamine, mitte parandus.
Kohandatud PTFE-sukelsoojendi konfiguratsioon ühendab alumiiniumoksiidist{0}}täiustatud täiteaineid madala vattiheduse, suure pindala ja parema juurdepääsuga voolule, et vähendada ümbrise temperatuuri mitmel esipinnal. Spetsifikatsiooniprotsess nõuab vanni keemiat, töötemperatuuri, voolutingimusi ja nõutavat võimsust. Nõudlike rakendustega rajatiste puhul tagab see kombinatsioon pikima kasutusea.
