Kā magnija oksīda blīvuma blīvums 316 nerūsējošā tērauda apvalkotā sildītājā korelē ar dielektrisko izturību un siltuma pārneses vienmērīgumu

Divu{0}}funkciju veiktspējas mainīgais: iekšējais keramikas iepakojums

Magnija oksīda (MgO) pulveris, kas aizpilda gredzenveida telpu starp pretestības vadu un 316 nerūsējošā tērauda elektrisko apkures cauruļu iekšējo apvalka sienu, ir ne tikai elektriskais izolators, bet arī svarīgs funkcionāls elements ar tā blīvēšanas blīvumu, kas vienlaikus kontrolē divus pretējus darbības raksturlielumus. Pieaugot blīvējuma blīvumam, palielinās elektriskās izolācijas pretestība (megaohos). Ar sablīvētiem MgO kristāliem nav gaisa telpas jonizācijas noplūdes strāvas ceļiem. Siltumvadītspēja visā MgO slānī palielinās arī līdz ar blīvēšanas blīvumu, jo cieta -līdz -cieta saskare starp blakus esošajiem kristāliem vada siltumu daudz efektīvāk nekā vadīšana gaisa spraugās. Bet pārāk liels blīvēšanas blīvums apdraud pretestības stieples vai apvalka mehāniskus bojājumus skrāpēšanas procesā. Šajā rakstā ir novērtēta saistība starp MgO iepakojuma blīvumu un sildītāja veiktspēju un sniegta specifikāciju sistēma, kas nodrošina gan elektrisko drošību, gan termisko efektivitāti 316 apvalkotajiem sildītājiem prasīgā darbībā.

Blīvēšanas blīvuma fiziskais pamats un tā mērīšana

The magnesium oxide powder, which is first put into a straight or coiled sheath assembly, has a bulk density of around 1.6-1.8 g/cm 3 , filling about 50-55 % of the annular volume, the balance being interstitial air. The MgO crystals are mechanically compressed to a final density of 2.8‐3.2 g/cm3, i.e. 85‐95 % of the theoretical crystal density of 3.58 g/cm3, in a swaging or rolling process reducing the sheath outer diameter by 10‐25 %. The basic quality parameter is the compaction density ratio – actual density to theoretical density. At compaction densities below 2.6 g/cm3 (around 73% of theoretical) the MgO matrix possesses interconnecting gaps which allow for the absorption of moisture from the atmosphere. Absorbed water causes a substantial reduction in electrical resistivity, from >1000 megaomi pie apkārtējās vides temperatūras līdz<1 megohm, triggering ground fault circuit disruption or nuisance tripping. Crushing force applied to MgO crystals surpasses their fracture strength at compaction densities above 3.2 g/cm3 (89 % of theoretical) and microcracks are generated that increase the void volume and impair long-term insulating stability. For 316 sheathed heaters, the best compaction density range is 2.9-3.1 g/cm3, achieved by a controlled swaging reduction of 15-18 % and verified by density measurement on randomly chosen heaters (usually by weighing a known volume of MgO taken from a destructively tested unit).

Elektriskās izolācijas pretestība kā blīvēšanas stāvokļa funkcija

Attiecība starp MgO blīvējuma blīvumu un elektriskās izolācijas pretestību ir eksponenciāla līkne. Aukstā (25 grādi) 316 apvalka tipiskā izolācijas pretestība ir 50–200 megaomi pie 2,6 g/cm^3, tik tikko pieļaujama daudzām rūpnieciskām vajadzībām, bet ļoti jutīga pret mitrumu. Aukstās izolācijas pretestība palielinās līdz 500–2000 megaohiem pie 2,9 g/cm3, nodrošinot labu buferi mitrām situācijām. Izolācijas pretestība parasti ir lielāka par 5000 megaohm pie 3,1 g/cm3, kas ir ļoti laba ražošanas kvalitāte. Ne mazāk svarīga ir atkarība no temperatūras: sildītājam strādājot 400–600 grādu temperatūrā (iekšējā MgO temperatūra), izolācijas pretestība samazinās par trīs līdz četrām kārtām. Labi sablīvētam sildītājam (3,0 g/cm³) ir 5-10 megaomi pie 500 grādiem, kas ir pietiekami, lai novērstu noplūdes strāvu, kas pārsniedz 0,5 mA pie 240 V maiņstrāvas. Vāji sablīvēts sildītājs (2,7 g/cm3) tajā pašā temperatūrā ar vairāku miliampēru noplūdes strāvu var noslīdēt zem 0,1 megaohm, kas atslēgs zemējuma defektu novēršanas ierīces vai neiezemētās sistēmās rada elektriskās strāvas trieciena briesmas. Svarīga ir arī jutība pret mitrumu. Sildītājs, kas sablīvēts līdz 2,8 g/cm3 un pakļauts 80 procentu relatīvajam mitrumam 48 stundas, var uzņemt no 0,5 līdz 1,0 svara procentiem mitruma, kas samazina izolācijas pretestību līdz zem 10 megaohiem. Tas pats sildītājs pie 3,0 g/cm^3 absorbē tikai 0,1-0,2% mitruma un tam ir > 100 megaomi. 316 apvalkotajiem sildītājiem, kas paredzēti izmantošanai ārpus telpām vai mazgāšanai, ir nepieciešams noslēgts gala gals ar minimālo blīvēšanas blīvumu 3,0 g/cm 3.

Siltumvadītspēja, izmantojot sablīvēto MgO slāni

Saspiestā MgO pulvera efektīvā siltumvadītspēja ir nozīmīga blīvuma un temperatūras funkcija. Siltumvadītspēja 400 grādu leņķī ir aptuveni 2,5-3,0 W/m·K pie 2,6 g/cm³ — daudz zemāka nekā cietam MgO (apmēram 40 W/m·K), jo gaisa telpas (siltuma vadītspēja 0,03 W/m·K) darbojas kā siltumizolatori. 2.9: g/m·3 m3/5. g/cm3 vadītspēja: 6,5–7,5 W/m·K Šī atšķirība tieši atspoguļojas temperatūras pazemināšanās starpībā virs MgO slāņa. Tipiskam 316 apvalkam ar iekšējās pretestības stiepli pie 750 grādiem temperatūras kritums 2 mm biezā MgO slānī pie 2,6 g/cm^3 blīvuma ir ~180-220 grādi, iekšējās apvalka sienas temperatūra ir 530-570 grādi. Tāda pati siltuma plūsma pie 3,1 g/cm 3 rada temperatūras starpību iekšējā apvalka sienā tikai par 80-100 grādiem (650-670 grādi) pie tādas pašas stieples temperatūras. Vēsāka apvalka siena palēnina oksidācijas ātrumu, pagarinot sildītāja kalpošanas laiku. Alternatīvi, ar noteiktu pieļaujamo apvalka temperatūru (piemēram, maksimāli 550 grādi, lai novērstu katlakmens veidošanos konkrētā šķidrumā), lielāks blīvēšanas blīvums nodrošina lielāku jaudu vai mazāku sildītāja apvalku. Tālāk esošajā tabulā ir norādīta attiecība starp MgO sablīvēto blīvumu, no tā izrietošo termisko veiktspēju un elektrisko uzticamību.

Blīvēšanas blīvums (g/cm3) % no teorētiskā blīvuma MgOizolācijas pretestība (auksts) (megohms, sauss) Siltumvadītspēja pie 400 C (W/mK) Mitruma absorbcijas ātrums (masas % pēc 48h, 80% RH)Ieteicamais pielietojums<2.6 <73 10-50 2.0-2.8 >1.5. Nav piemērots mitriem vai mitriem pakalpojumiem
2,6-2.8 73-78 50-200 2.8-3.8 0.8-1,5 Lietojumi sausā vidē, telpās ar zemu mitruma līmeni
2,8-2.9 78-81 200-500 3.8-4.5 0.4-0,8 Vispārējā rūpniecība; pieņemams ar aizzīmogotām spailēm
2,9-3.0 81-84 500-2000 4.5-5.5 0.2-0,4 Ieteicams ūdens un āra pakalpojumiem lielākajā daļā
3.0-3.1 84-86 2000-5000 5.5-6.5 0.1-0.2 Ļoti uzticams; mazgāšana, jūras vai augsts mitrums
3.1-3.2 86-89 >5000 6.5-7.5 <0.1 Premium quality Maximum life duration and electrical safety3.2 >89 Mainīgs (var samazināties plaisāšanas dēļ) 7,0–8,0 Neprognozējams Pār-saspiests; vadu bojājumu risks; izvairīties no ražošanas procesa kontroles un verifikācijas metodēm

Konsekvents MgO blīvēšanas blīvums tiek sasniegts, precīzi kontrolējot trīs ražošanas parametrus: sākuma MgO daļiņu izmēra sadalījumu, samazinājuma procentuālo daudzumu slaucīšanas laikā un smērēšanas reižu skaitu. Bimodālais daļiņu izmēru sadalījums (70–80 % rupju kristālu ar izmēru 200–400 µm un 20–30 % smalku kristālu ar izmēru 20–50 µm) nodrošina lielāku blīvumu pirms smērēšanas, un tas ir jāsamazina mazāk, lai sasniegtu mērķa blīvumu. Slāņa samazinājums ir (sākotnējais OD mīnus galīgais OD)/sākotnējais OD. 12 mm OD apvalka samazinājums līdz 10,2 mm ir 15%, kopumā palielinot MgO blīvumu no 1,7 līdz 2,9-3,0 g/cm3. Divu vai trīs pagriešanas gājienu izmantošana ar starppakāpju atlaidināšanu nodrošina vienmērīgāku blīvumu visā apvalka garumā nekā viens liels samazinājums. Pārbaudes procedūrās ietilpst nesagraujošā kapacitātes pārbaude (saspiestā MgO dielektriskā konstante pie 1 kHz korelē lineāri ar blīvumu) un katras ražošanas partijas paraugu sildītāju destruktīva sadalīšana. Pircējiem, kas norāda 316 apvalkotus sildītājus kritiskiem lietojumiem, iespējams, ir nepieciešams sertificēts MgO blīvuma testa ziņojums saskaņā ar ASTM E12 (vai līdzīgu) ar pieņemto diapazonu 2,90–3,10 g/cm³, lai nodrošinātu izpildāmu kvalitātes nodrošināšanu. Termināla blīvēšanas metode mijiedarbojas arī ar blīvēšanas blīvumu, jo atvērta vai slikti noslēgta spaile pieļauj mitruma iekļūšanu, kas pārvar pat labi sablīvētu MgO, savukārt labi noslēgta spaile (epoksīds, silikons vai stikls) saglabā sākotnējo sausās izolācijas pretestību pastāvīgi.

Sildītāju darbība un sliktas blīvēšanas pazīmes + atteices analīze

Ir trīs novērojami lauka -simptomi, kas liecina par nepietiekamu MgO blīvējuma blīvumu jau izmantotajos sildītājos. 1. Periodiska zemes defekta atslēgšanās, kas pasliktinās augsta mitruma periodos vai tad, kad sildītājs ir bijis izslēgts visu nakti (lai ļautu mitrumam kondensēties MgO ietvaros), bet pēc tam, kad sildītājs ir paskrējis stunda, izzūd. Otrais ir 316 apvalka gala gala korozija vai zaļas krāsas maiņa gala tuvumā. Tas liecina, ka elektrolītiskā noplūdes strāva ir plūdusi pa mitru MgO ceļu. Treškārt, tai ir lokalizēti karstie punkti, kurus var uzskatīt par krāsas maiņas joslām uz apvalka Nevienmērīgs blīvēšanas blīvums izraisa nevienmērīgu siltumvadītspēju, kas ļauj pretestības stieplei sakarst zema blīvuma zonās, vienlaikus saglabājot vēsumu augsta blīvuma zonās. Nestrādājoša sildītāja destruktīva izpēte, noņemot MgO dažādos punktos un mērot blīvumu, apstiprina galveno cēloni. Blīvuma izmaiņas, kas lielākas par ±0,15 g/cm3 visā garumā, liecina par sliktu ražošanas kontroli. Šādos apstākļos atbilde ir nevis salabot sildītāju uz lauka, bet gan aizstāt to ar tādu no piegādātāja, kas nosaka un apstiprina blīvēšanas blīvumu kā kontrolētu procesa parametru.

Secinājums: MgO blīvēšanas blīvums kā galvenā kvalitātes īpašība

MgO pulvera iekšējā blīvuma blīvums nav mazsvarīgs 316 nerūsējošā tērauda apšuvuma elektriskās apkures cauruļu ražošanas elements — tas ir galvenais faktors gan elektriskās drošības, gan termiskās veiktspējas nodrošināšanai. Zem-sablīvēts MgO absorbē mitrumu, samazinās izolācijas pretestība un rodas bažas par elektrības noplūdi. Tas noved pie nepietiekamas-blīvēšanas un sliktas siltuma vadītspējas, kā rezultātā vads kļūst karstāks ar tādu pašu siltuma jaudu, kā rezultātā notiek ātrāka oksidēšanās un samazināts sildītāja kalpošanas laiks. Optimālais blīvēšanas blīvums 2,9-3,1 g/cm 3 ir kompromiss starp maksimālo elektrisko uzticamību un efektīvu siltuma pārnesi. Inženieriem, kas izvēlas sildītājus jebkuram lietojumam, kam nepieciešams mitrums, iegremdēšana ūdenī vai ekspozīcija ārpus telpām, jānorāda minimālā blīvuma prasība (piemēram, 3,0 g/cm³, kas apstiprināta ar vienas vienības destruktīvo testu katrā partijā) un termināla blīvējuma prasības. Šeit aprakstītā paradigma spēj saistīt MgO blīvēšanas blīvumu ar izmērāmiem veiktspējas rezultātiem, ļaujot pircējiem identificēt tos sildītājus, kas paredzēti darbam skarbos apstākļos, salīdzinājumā ar tiem, kas drīz neizdosies iekšējās izolācijas sadalīšanās dēļ.