内部の蒸気ブリスターを避けるための PFA ヒーターの安全な最大出力勾配 (W/cm²/秒) はどれくらいですか?

冷たい状態から PFA ヒーターに急速に通電すると、周囲の PFA シースと比較して金属コアが大幅に加熱されます。 PFA- 金属接触部分に水分が残っている場合（通常、製造または吸収された湿気から 5-50 mg）は、PFA が拡散できるほど十分に加熱される前に、水分が過熱して蒸気になります。高い蒸気圧 (10 ～ 100 bar) により PFA がコアから局所的に持ち上げられ、ブリスターが形成されます。一度発生すると、蒸気-で満たされた水疱が断熱材として機能し、その領域がさらに熱くなり、水疱が拡大します。ブリスターの形成を制御するための重要なパラメーターは、定常状態のワット密度ではなく、電力勾配、つまりワット密度がどのくらいの速さで増加するか (W/cm2/秒) です。追加の湿気保護を備えていない一般的な PFA ヒーターの場合、安全な最大電力勾配は 1 秒あたり 0.5 ～ 1.0 W/cm2 です。 PFA の連続定格を大幅に下回る定常状態のワット密度であっても、1 秒あたり 2 ～ 3 W/cm² を超えるワット密度では、10 ～ 50 回の起動サイクル以内に焼けが発生します。

スチームブリスターのメカニズムと温度上昇
あらゆるヒーターの PFA- 金属界面には、(1) 保管中に湿った空気から吸収された水分 (PFA は水蒸気を透過します)、(2) 冷却サイクル中の凝縮、(3) 製造残留物という 3 つの原因からの残留水分が含まれています。- 「ドライ」ヒーターには通常、長さ 1 m の界面に沿って 5 ～ 20 mg の水分が含まれます。コールドスタート時およびフルパワー時、金属コアの温度は dT/dt=(P×η)/(m×c_p) で与えられる割合で上昇します。ここで、P は電力 (W)、η は効率 (≈0.95)、m はコアの質量 (6 kW ヒーターの場合、≈2 ～ 4 kg)、c_p はインコロイの比熱 (≈450) です。 J/kg・K）。 3 キログラムのコアを備えた 6 kW ヒーターの場合、dT/dt=(6,000 x 0.95) / (3 x 450)=5,700 / 1、350=4.2 度/秒。コアは (100-20)/4.2=19 秒で 100℃ に達します。 PFA の外面は、冷たい液体と接触すると、はるかにゆっくりと温まります。 PFA の内面 (コアの隣) は t=19 秒で約 100 度ですが、外面は 30 ～ 40 度しかない可能性があります。 t=19 秒における壁全体の温度は 60 ～ 70 度です。

接点の水は100度で沸騰しています。液体から蒸気へのこの急速な相変化により、体積が 1,600 倍に増加します。界面ギャップ (0.1-1.0 µm) はこの膨張に対応するには小さすぎるため、圧力は 10 ～ 100 bar まで上昇します。局所的にＰＦＡが生成し、一般的に直径２〜１０ｍｍの剥離した区画である水疱が形成される。ブリスターには、熱伝導率が約 0.02 W/m・K (PFA の 10 倍低い) の蒸気が充填されています。水ぶくれ部分はホットパッチとなり、局所的な温度が 20 ～ 50 度上昇します。これが起こるたびに水ぶくれは大きくなり、周囲の領域から湿気を吸い込みます。ブリスターは 10 ～ 100 サイクルで破裂し、金属コアがプロセス液体にさらされる可能性があり、その結果、突然の地絡が発生します。

ヒーターの状態による出力勾配の制限
ヒーターの水分含有量 水分条件 界面 (mg/m 長さ) 安全な最大 dq/dt (W/cm2.s) 最大定常状態 -} q (W/cm2) フルパワーになるまでの時間 (4 W/cm2 ヒーターの場合) 推奨される開始制御
真空乾燥または窒素パージ 1 mg 5-100.4 ～ 0.8 秒。最大 5 良いスタート
工場出荷時新品 (乾燥保管)5 ～ 10 mg 1.5-2.5 3-4 1.6-2.7 秒ソフトスタート (3 ～ 5 秒のランプ)
湿潤気候で実施される標準 10 ～ 25 mg 1.0 – 1.5 3 – 4 2.7 – 4.0 秒ランプ制御 (5 ～ 10 秒)
Aged (>2 年間の湿潤サービス) 25 ～ 50 mg 0.5-1.0 2-3 4-8 秒 ゆっくりとしたランプ (10 ～ 20 秒)
Wet (poor storage, condensation inside) >50 mg 0.2–0.4 1–2 10–20 秒で乾燥してから使用開始 非常に遅い
以前の水ぶくれのあるヒーター (目視または感触) 変動 N/AN/AN/A ヒーターを交換します。回復できない
現場での検証と実用的なコンピューティング
既存の設備の電力勾配を決定するには: ヒーターに通電 (コントローラー出力で) してからヒーターが定常状態の電力に達するまでの時間を測定します。シンプルなオン/オフ制御の抵抗ヒーターの場合、全電力が即座に提供されます。-最初のミリ秒間の勾配は事実上無制限です。それは危険です。ソフト スタート ランプを使用した位相角 SCR 制御の勾配=(最終電力密度)/(ランプ期間)。-。例: 表面積 0.1 m2 (qfinal=6 W/cm2) およびランプ周期 10 秒の 6 kW ヒーターは、毎秒 dq/dt=6 / 10=0.6 W/cm2 - 安全を生成します。 dq/dt=3 W/cm²/秒、ランプ時間 2 秒 - は、ほとんどのヒーターにとって危険です。

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 >加熱時の 1,000 MΩ ～ 100-500 MΩ は、湿気の移動と膨れの可能性を示します。 (2) ヒーターをオフにして PFA 表面に沿って指を動かし、冷却します。水疱は小さなしこり（直径 1 ～ 5 mm、わずかに盛り上がっている）として感じられます。 (3) 起動中に赤外線カメラを利用して、電源投入後 30 ～ 60 秒以内に水疱領域を局所的なホット スポット (周囲のシースより 5 ～ 20℃高い) として検出できます。水膨れが見つかった場合は、ヒーターを交換する必要があります。

予防のための管理戦略
蒸気ブリスターを回避する最善の方法は、ソフト スタートまたは出力ランプを使用することです。{0}従来のヒーターの場合、10 ～ 30 秒かけて出力を 0% から 100% まで段階的に増加させるプログラム可能なランプにより、dq/dt は 0.2 ～ 0.7 W/cm^2/秒に制限されます。ランプ時間は、ヒーターの質量と予想される湿気の状態に応じて決定する必要があります。保守的な開始点: ランプ時間 (秒) は定常状態のワット密度 (W/cm^2) に等しい。 4W/cm2 加熱の場合は 4-8 秒間ランプします。湿気が多いことが知られているヒーター (湿気の多い場所ではアイドル時間が長い) の場合は、15 ～ 30 秒を使用します。ソフトスタートは、基本的な時間遅延リレーとソリッドステート リレー（安価、50 ～ 150 ドル）を使用するか、ランプ機能を備えたプログラマブル PID コントローラ（Watlow、Omron、Eurotherm など）を使用して実行できます。-ランプは停電後だけでなく、起動のたびに使用する必要があります。頻繁に (1 日に何度も) サイクルするヒーターの場合は、サイクル間に水分があまり蓄積しないため、短いランプ (5 ～ 10 秒) で十分です。

新しいヒーター仕様の場合、エンジニアは水分パージ手順を要求する必要があります。この手順では、出荷前にヒーターを真空または乾燥窒素流下で 120 度に 24 時間加熱して界面の水分を除去します。メーカーは残留水分が 1mg 未満であることを保証しています。このようなヒーターは、5 W/cm2/秒もの dq/dt に耐えることができます。価格差は最小限です (10-20% のプレミアム) ソフトスタートが利用できない重要なアプリケーションの場合は、「窒素バックフィル付きドライ ヒーター」を選択して認証をリクエストしてください。

結論 : 標準ヒーターは dq/dt を 1W/cm2/sec 以下に制限します。
従来の PFA ヒーターの場合、内部の蒸気膨れを避けるための安全な最大出力勾配は 0.5-1.0 W/cm^2/秒で、これは 4 W/cm^2 ヒーターの最大出力までのランプ時間 4-10 秒に相当します。勾配が高くなると、PFA-金属接触部で残留水分が過熱され、熱サイクルごとに膨張する水蒸気ブリスターが形成され、最終的に破裂して地絡が発生します。防止はソフトスタート コントローラまたはプログラム可能なランプ関数を使用することで、簡単かつ低コストで行えます。{22}}低含水量 (真空乾燥で 1 mg) が確立されているヒーターの場合、安全な勾配は 5 ～ 10 W/cm2/秒まで増加します。そのような文書が入手できない場合は、水分を 10 ～ 25 mg と想定し、最大 4 W/cm のヒーターに対して少なくとも 5 秒のランプ期間を使用します 2 . わずかな時間のペナルティは、ヒーターの交換コストやブリスター関連の故障によるプロセスのダウンタイムに比べれば無視できます。エンジニアは、ヒーターの購入仕様で最大 dq/dt または最小ランプ時間を定義する必要があります。始動時にヒーターに膨れが発生するのは、材質による欠陥ではありません。湿気の状態に対する過剰な出力勾配の影響によるものです。勾配を制御し、ブリスターを制御します。