PFA-lämmittimet ankarissa kemiallisissa ympäristöissä on joskus päällystetty ohuella kerroksella (0,2–1,0 mm) korkean lämpötilan silikonikumia, joka lisää korroosiosuojaa tai likaantumisenesto-{3}}ominaisuuksia. Silikonikerros lisää lämmönkestävyyttä vähentäen yleistä lämmönsiirtoa. Komposiittivaipan (PFA + silikoni) tehokkaan lämmönjohtavuuden (k_eff) mittaaminen on välttämätöntä lämmittimen tarkan mitoituksen kannalta. Tasaisen tilan-vertaileva menetelmä-mittaa lämpötilan pudotus päällystetyn vaipan poikki tunnetulla lämpövirralla-on käytännöllisin tekniikka. Tyypillisellä pinnoitteella (0,5 mm silikoni, k ≈ 0,25 W/m·K) PFA:n päällä (2 mm, k ≈ 0,20 W/m·K) tehollinen lämmönjohtavuus on 0,21–0,22 W/m·K-vain 5–10 % pienempi kuin pelkkä PFA, koska piikerros on ohut. Jos silikoni kuitenkin imee vettä tai turpoaa, k_eff voi pudota arvoon 0,15–0,18 W/m·K. Käytössä oleville pinnoitetuille lämmittimille suositellaan säännöllistä in situ -mittausta pintatermoparien avulla.
Mittausperiaate
Tehokas lämmönjohtavuus k_eff lasketaan Fourierin lain perusteella: k_eff=q × t_total / ΔT, missä q on lämpövirta (W/m²), t_total on kokonaispaksuus (PFA + silikoni, m) ja ΔT on lämpötilan pudotus komposiittikerroksen poikki ( aste ). Vakiotilassa tunnetulla teholla toimivalle lämmittimelle q=P / A, jossa P on sähköteho (W) ja A on lämmittimen pinta-ala (m²), korjattu hyötysuhteella (tyypillisesti 0,90–0,95). ΔT mitataan kiinnittämällä lämpöparit silikonin ulkopintaan (T_outer) ja upotettuina PFA{12}}metallirajapintaan (T_inner) valmistuksen aikana. Vaihtoehtoisesti voit käyttää referenssilämmitintä, jonka k-arvo tunnetaan takaisin-laskettaessa.
In{0}}in situ -menetelmä ilman upotettua anturia:
Asenna kaksi identtistä lämmitintä: toinen silikonipinnoitteella, toinen ilman (viite).
Käytä molempia samassa nesteessä samalla teholla ja virtauksella.
Mittaa molempien ulkopinnan lämpötila (T_coated, T_uncoated).
Laske päällystämättömälle lämmittimelle PFA:n sisäpinnan lämpötila: T_sisäpäällystämätön=T_päällystämätön + q × (t_PFA/k_PFA).
Oletetaan, että T_inner on sama päällystetylle lämmittimelle (sama sisälämpötila).
Sitten ΔT_coated=T_inner – T_coated. k_eff=q × (t_PFA + t_silikoni) / ΔT_coated.
Tarvittavat laitteet
| Komponentti | Erittely | Tarkoitus |
|---|---|---|
| Termoparit | Tyyppi K, hieno lanka (0,25 mm), tarkkuus ±0,5 astetta | Mittaa pintalämpötilat |
| Lämpöpasta | Korkean-johtavuuden silikoniton-(esim. boorinitridi) | Varmista hyvä lämpöparikontakti |
| Tehomittari | ±1 % tarkkuus | Mittaa sähköteho |
| Työsatulat | ±0,01 mm | Mittaa pinnoitteen paksuus |
| IR-kamera (valinnainen) | ±2 astetta tai parempi | Tarkista pinnan lämpötilan tasaisuus |
| Dataloggeri | Monikanavainen, 1 Hz:n näytteenotto | Ennätyslämpötilat |
Yleisten kokoonpanojen mittaustulokset
| PFA paksu (mm) | Paksu silikoni (mm) | Silikoni tyyppi | k_PFA (W/m·K) | k_silikoni (W/m·K) | Laskettu k_eff (W/m·K) | Mitattu k_eff (W/m·K) (vakiotila-) | Virhe (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 0 | N/A | 0.20 | N/A | 0,20 (todellinen) | 0,20 (viite) | 0% |
| 2.0 | 0.3 | Yleiskäyttöinen (RTV) | 0.20 | 0.22 | 0.202 | 0.205 | 1.5% |
| 2.0 | 0.5 | Yleiskäyttöinen | 0.20 | 0.22 | 0.205 | 0.208 | 1.5% |
| 2.0 | 1.0 | Yleiskäyttöinen | 0.20 | 0.22 | 0.209 | 0.215 | 2.9% |
| 2.0 | 0.5 | Lämpöä johtava (täytetty) | 0.20 | 0.60 | 0.228 | 0.230 | 0.9% |
| 1.5 | 0.5 | Yleiskäyttöinen | 0.20 | 0.22 | 0.207 | 0.210 | 1.4% |
| 2.0 | 0.5 | Turvonnut silikoni (veden imeytyminen) | 0.20 | 0.12 | 0.171 | 0.168 | 1.8% |
| 2.0 | 0.5 | Vanhennettu silikoni (200 astetta, 1000 h) | 0.20 | 0.18 | 0.197 | 0.195 | 1.0% |
Analyysi: Mitattu k_eff vastaa laskettua sarjaresistanssimallia: 1/k_eff=(t_PFA/k_PFA + t_silikoni/k_silikoni) / t_total. 2,0 mm:n PFA + 0.5 mm silikonille (yleiskäyttö), 1/k_eff=(0,002/0.20 + 0.0005/0,22) / 0.0025=(0.01 + 0.00227) / 0.0025=0.01227/0.0025=4.91, joten k_eff W/m{24}}. Varovaisella tekniikalla mittausvirhe on ±2–3 %.
Vaiheittainen--Step Measurement Protocol
Laboratoriomittaukseen:
Valmista testinäyte: tasainen plakki tai lämmitinosa, jossa on upotettu termopari PFA{0}}metallirajapinnassa.
Levitä mitatun paksuinen silikonipinnoite.
Kiinnitä näyte suojattuun keittolevylaitteeseen (ASTM E1530) tai lämpötilasäädeltyyn kylpyyn, jossa on tunnettu lämpövirta.
Käytä tunnettua lämpövirtaa (10 000–50 000 W/m²).
Tallenna vakaan tilan lämpötilat (sisä- ja ulkopinnat).
Laske k_eff Fourierin lain avulla.
Palvelun{0}}mittauksiin(kenttä, ei upotettua anturia):
Ensure steady-state operation (no temperature change >0,5 astetta 30 minuutin aikana).
Mittaa pinnoitetun lämmittimen ulkopinnan lämpötila 3–5 pisteestä (käytä lämpötahnaa ja teippitermopareja).
Mittaa nesteen lämpötila ja virtausnopeus.
Laske lämpövirta sähkösyötöstä (mitta V, I, tehokerroin).
Arvioi sisäpinnan lämpötila käyttämällä päällystämätöntä vertailulämmitintä (tai käyttämällä valmistajan tietoja sisälämpötilan vs. wattitiheydestä).
Laske k_eff estimoidulla ΔT:llä.
Käytännön huomioita silikonipinnoitteille
Silikonin lämmönjohtavuus on lämpötilasta{0}}riippuvainen ja heikkenee ikääntymisen myötä. 200 asteen lämpötilassa k_silicone voi pudota 20–30 % 1 000 tunnin kuluttua silloittumisen ja täyteaineen hajoamisen vuoksi. Vedenabsorptio (0,5–2 painoprosenttia) vähentää k_silikonia 0,22:sta 0,12–0,15 W/m·K:iin. Kosteissa tai tiivistyneissä ympäristöissä oleville lämmittimille mittaa k_eff neljännesvuosittain.
Jos mitattu k_eff on yli 15 % suunnitteluarvon alapuolella, harkitse:
Silikonipinnoitteen poistaminen (kuoriminen tai liuottimen poistaminen), jos se ei ole välttämätöntä.
Lämmittimen vaihtaminen lämpöä johtavalla silikonilla (täytetty Al₂O3:lla tai BN:llä, k ≈ 0,6–1,0 W/m·K).
Kasvava lämmittimen pinta-ala kompensoimaan vähentynyttä lämmönsiirtoa.
Esimerkki kentästä
Kemiallinen tehdas, joka on päällystetty PFA-lämmittimet 0,7 mm:n RTV-silikonilla, joka estää likaantumisen polymeeriliuoksessa. Laitos mittasi k_eff referenssilämmitinmenetelmällä ja löysi arvoksi 0,17 W/m·K odotetun 0,20 W/m·K sijaan (15 % pienempi). Pienentynyt k tarkoitti, että lämmittimet kävivät 8–10 astetta kuumemmaksi samalla teholla, mikä nopeuttaa polymeerin likaantumista. Laitos vaihtoi lämpöä johtavaan silikoniin (k ≈ 0,65 W/m·K) ja mittasi k_eff=0.235 W/m·K-hieman paremmin kuin pelkkä PFA. Likaantuminen väheni ja lämmittimen käyttöikä kaksinkertaistui.
Päätelmä: Mitattu k_eff ±3 %:n sisällä ohuiden silikonipinnoitteiden sarjamallista
Ohuella kerroksella (0,2–1,0 mm) korkean lämpötilan silikonia päällystetyn PFA-lämmittimen tehollinen lämmönjohtavuus voidaan mitata tarkasti vakaan tilan-vertailumenetelmillä pintatermoparien ja vertailulämmittimen avulla. Yleiskäyttöisen -silikonin (k ≈ 0,22 W/m·K) ja tyypillisen PFA:n (k ≈ 0,20 W/m·K) k_eff on 5 % k_PFA:sta alle 0,5 mm:n pinnoitteissa. Paksumpien pinnoitteiden tai vanhentuneen/turvonneen silikonin k_eff voi pudota 10–30 %, mikä vaatii suunnittelun säätöjä. Säännöllinen paikan päällä tapahtuva mittaus (neljännesvuosittain tai vuosittain) havaitsee hajoamisen ja ilmoittaa kunnossapidolle. Muutama termopari ja tunti mittausaikaa voivat estää alamittaiset lämmittimet tai odottamattoman likaantumisen. Mittaa k_eff, tiedä todellinen lämpövastus ja suunnittele luottavaisesti. Pinnoite voi auttaa kemiaa, mutta vahingoittaa lämmönsiirtoa. Arvioi vahingon määrä. Päätä sitten.
