Een dubbel-gewonden verwarmingselement-twee onafhankelijke weerstandscircuits die parallel zijn gewikkeld langs dezelfde lengte van het verwarmingselement-kunnen 50% stroom leveren nadat één circuit uitvalt. Of dit echter zonder lokale hotspots gebeurt, hangt geheel af van het wikkelpatroon. Als beide circuits gelijkmatig met elkaar verweven zijn (afwisselende bochten), zorgt een enkele circuitstoring ervoor dat elke andere bocht actief blijft, waardoor een periodiek heet-koud patroon ontstaat: de PFA-oppervlaktetemperatuur varieert met ±15–30 graden over de lengte, met hete plekken bij actieve bochten en koude plekken bij mislukte bochten. Deze ongelijkmatige verwarming veroorzaakt thermische spanning en plaatselijke kalkaanslag. Als de twee circuits zijn gewikkeld als afzonderlijke zones (circuit A op de onderste helft, circuit B op de bovenste helft), zorgt een storing van één circuit ervoor dat de helft van de verwarming koud wordt-onaanvaardbaar voor een uniforme temperatuur. Het optimale ontwerp voor uniformiteit in de storingsmodus is een dubbele-wondverwarmer waarbij beide circuits uniform zijn verdeeld, maar met redundantie bij de verbinding: elk circuit voedt de helft van de windingen, maar de windingen zijn gepaard, zodat actieve en inactieve windingen naast elkaar liggen en niet afwisselend. Zelfs dan blijft er een variatie van 5 tot 10 graden bestaan. Voor kritieke toepassingen die echte redundantie vereisen zonder hotspots, gebruikt u twee afzonderlijke verwarmers met één circuit- (zie artikel #36). Dubbele-wond is een compromis.
Temperatuurverdeling na één circuitstoring
| Kronkelend patroon | Beurverdeling | Variatie nadat één circuit uitvalt | Hot Spot ΔT versus vóór storing | Acceptabel voor proces? |
|---|---|---|---|---|
| Afwisselend (A,B,A,B...) | Met elkaar verweven, elk 50% | ±15–30 graden over de lengte | +20–40 graden bij actieve bochten | Marginaal (schaalrisico) |
| Gekoppeld (AA,BB,AA,BB...) | Twee actieve beurten samen, daarna twee inactieve | ±10–20 graden | +10–25 graden | Acceptabel voor lage gevoeligheid |
| Zone (onder A, boven B) | A op de onderste helft, B op de bovenste helft | 0 graden op de mislukte helft, normaal op de andere | N.v.t. (koude zone) | Onaanvaardbaar |
| Verdeeld met thermische equalizer (koperen huls) | Afwisselend + koperen huls | ±5–10 graden | +5–15 graden | Goed |
| Twee aparte kachels | Onafhankelijke eenheden | 0 graden (één verwarming uit) | 0 graden (andere verwarming compenseert) | Beste (zie artikel #85) |
Thermische beeldvorming van defecte dubbele-wondverwarmer
Een dubbele-wondverwarmer van 6 kW (afwisselende windingen, elk circuit 3 kW) die werkt op 3 kW na één circuitstoring vertoont het volgende:
Actieve bochten: oppervlaktetemperatuur 120 graden (in 80 graden water)
Inactieve bochten: oppervlaktetemperatuur 85 graden (hetzelfde als vloeistof)
Periodiciteit: 5–10 mm tussen warme en koude banden
De hete banden zijn slechts 3 à 4 mm breed.
Bij kalk{0}}vormend water worden de hete banden wit, terwijl de koude banden schoon blijven. De weegschaal versnelt lokale oververhitting, waardoor de actieve bochten sneller uitvallen. In de praktijk duurt het zelden langer dan een paar maanden voordat een verwarmingselement dat in één circuit uitvalt, uitvalt voordat het resterende circuit uitvalt door plaatselijke oververhitting.
Stroomverdeling en belasting op het resterende circuit
Wanneer één circuit uitvalt (open circuit), moet het resterende circuit de volledige spanning voeren (indien parallel aangesloten). Zijn kracht is P=V²/R. Als beide circuits dezelfde weerstand R hebben, is het totale vermogen vóór uitval=2 × V²/R=2P_circuit. Na een storing is het vermogen=V²/R=P_circuit=50% van het oorspronkelijke totaal. Dit klopt. Het resterende circuit werkt nu echter met dezelfde wattdichtheid als voorheen (dezelfde spanning, dezelfde weerstand, dezelfde warmte per winding), maar met de helft minder actieve windingen. De actieve beurten zien geen verandering in de warmteontwikkeling. Maar de hitte die nu naar de mislukte bochten zou zijn gegaan, moet door de actieve bochten worden afgevoerd? Nee – de mislukte beurten zijn gewoon uitgeschakeld. De actieve beurten produceren dezelfde warmte als voorheen, maar er is geen warmte van de mislukte beurten. De totale warmteafgifte wordt gehalveerd. De actieve windingen raken plaatselijk niet oververhit door overmatig vermogen. De temperatuur van de actieve windingen kan echter iets stijgen omdat de aangrenzende koude windingen niet langer bijdragen aan het verwarmen van de vloeistof ertussen. De warmtestroom van actieve windingen verspreidt zich lateraal, maar met minder warmte van buren neemt de temperatuur van de actieve windingen met 5–15 graden toe. Dit is de lokale hotspot.
Praktische beoordeling van uw proces
| Procesvereiste | Aanvaardbare temperatuurvariatie na falen | Dubbele-wond geschikt? | Betere oplossing |
|---|---|---|---|
| ±1 graad (halfgeleider, farmaceutisch) | Nee | Nee | Twee aparte kachels + reserve |
| ±3 graad (precisiechemisch) | Nee | Nee | Twee aparte kachels |
| ±5 graden (algemeen industrieel) | Marginaal | Eventueel (met koperen huls) | Twee aparte kachels |
| ±10 graden (plating, wassen) | Ja | Ja (afwisselend, met mouw) | Aanvaardbaar |
| Geen temperatuurregeling (alleen inschakelduur) | Ja | Ja (elk patroon) | Aanvaardbaar |
Veldvoorbeeld
Een galvaniseerlijn maakte gebruik van dubbele-gewonden PFA-verwarmers (afwisselende windingen) om 50% stroomredundantie te bieden. Toen één circuit uitviel, bleef de verwarming op 50% vermogen werken. De hete banden (15 graden boven het gemiddelde) veroorzaakten echter witte schaalringen bij de actieve bochten. De kalkringen verslechterden de warmteoverdracht en het resterende circuit viel na 3 maanden uit. De fabriek schakelde over op twee afzonderlijke verwarmingstoestellen van 3 kW in plaats van één dubbele- 6 kW-verwarmer. Nadat één verwarmingselement uitviel, daalde de badtemperatuur van 90 graden naar 85 graden, maar de kwaliteit van de bekleding bleef acceptabel. De defecte verwarming is vervangen tijdens gepland onderhoud. Er vond geen temperatuurbandvorming plaats. De fabriek concludeerde dat twee afzonderlijke verwarmingstoestellen voor echte redundantie zorgden zonder hotspots.
Conclusie: dubbele-wond levert 50% kracht, maar veroorzaakt hotspots
Een dubbel-gewonden PFA-verwarmer met twee parallelle circuits kan 50% vermogen leveren nadat één circuit uitvalt. De resterende actieve windingen creëren echter periodieke hete banden (variatie van ± 15-30 graden), tenzij een thermische equalizer (koperen huls) wordt toegevoegd. Deze ongelijkmatige temperatuur veroorzaakt lokale kalkaanslag, thermische spanning en uiteindelijk falen van het resterende circuit. Voor processen die variaties van ±10 graden tolereren, kan een dubbele-wondwond acceptabel zijn. Gebruik voor een nauwkeurige temperatuurregeling twee afzonderlijke-verwarmers met één circuit. Dubbele-wond is een ruimtebesparend-compromis, geen echte redundantieoplossing. Als uptime van cruciaal belang is, kunt u de extra ruimte besteden aan twee verwarmingen. Uw proces wordt uniformer en uw onderhoud wordt eenvoudiger. Hotbands zijn niet onschadelijk. Ze schalen, ze kraken, ze falen. Vermijd ze met aparte verwarmingstoestellen.
