Een chemische fabriek vergeleek twee PTFE-dompelverwarmers van 4 kW in identiek gebruik. Beiden werden beoordeeld voor dezelfde spanning en wattdichtheid. Eén gebruikte standaard magnesiumoxidevuller. De andere gebruikte een met aluminiumoxide-verbeterde vulstof. De met aluminiumoxide-gevulde verwarming werkte met een manteltemperatuur die 8 tot 12 graden lager was bij hetzelfde uitgangsvermogen, en ging bijna twee keer zo lang mee voordat de isolatieweerstand afnam. Het verschil was niet de PTFE-mantel. Het was wat erin zat.
De interne vulstof in een verwarmingselement dient twee doelen: het isoleert het weerstandselement elektrisch van de metalen omhulling en geleidt warmte van het element naar de omhulling. Magnesiumoxide is al tientallen jaren de standaardvulstof omdat het goedkoop is, een goede diëlektrische sterkte heeft en hoge temperaturen verdraagt. Maar de thermische geleidbaarheid van MgO-ongeveer 30–40 W/m·K bij dichte verdichting-is niet de hoogste die beschikbaar is. Alumina biedt een hogere geleidbaarheid en het mengen ervan met MgO verbetert de warmteoverdracht zonder dat dit ten koste gaat van de elektrische isolatie.
Het thermische pad in een PTFE-verwarmer
De door de weerstandsdraad gegenereerde warmte moet drie lagen doorkruisen voordat deze de procesvloeistof bereikt: de MgO- of aluminiumoxide-vulstof, de metalen mantel van het interne element en de buitenmantel van PTFE. De PTFE-wand is de grootste thermische barrière, maar het vulmiddel draagt bij aan een meetbare weerstand.
Voor een typisch element met een diameter van 6 mm en een vulring van 1,5 mm bedraagt de temperatuurdaling over het MgO bij 1,2 W/cm² ongeveer 8–12 graden. De val over de PTFE-wand is 12–18 graden. De daling over de convectieve grenslaag is 10-20 graden. Totale opening tussen schede-tot-bulk: 30-50 graden.
Het vervangen van MgO door een met aluminiumoxide-verbeterde vulstof vermindert de bijdrage van de vulstof met 30-50%. De totale kloof daalt met 3 à 6 graden. Die reductie lijkt misschien klein, maar vertaalt zich direct in een lagere temperatuur van de mantel-en een lagere temperatuur van de mantel betekent een langzamere permeatie, langzamere kalkaanslag en een langere levensduur.
| Vulmateriaal | Thermische geleidbaarheid | Vulmiddel ΔT bij 1,2 W/cm² | Totale mantel ΔT | Relatieve levensduur |
|---|---|---|---|---|
| Standaard MgO | 30–35 W/m·K | 10–12 graden | 38-48 graden | Basislijn |
| MgO met hoge-dichtheid | 35–40 W/m·K | 8–10 graden | 35-44 graden | 1.1–1.2× |
| Aluminiumoxide-verbeterde MgO | 40–50 W/m·K | 6–8 graden | 32-40 graden | 1.3–1.5× |
| Aluminiumoxide met hoge-zuiverheid | 50–60 W/m·K | 5–7 graden | 30-38 graden | 1.4–1.6× |
Thermische geleidbaarheid van vulmiddel en het effect ervan op de temperatuur en levensduur van de mantel
Waarom aluminiumoxide warmte beter geleidt dan MgO
Aluminiumoxide (Al₂O₃) heeft in zuivere kristallijne vorm een thermische geleidbaarheid van 30–35 W/m·K, vergelijkbaar met MgO. Maar het vulmiddel dat in verwarmingselementen wordt gebruikt, is geen enkel kristal-het is een samengeperst poeder. De effectieve thermische geleidbaarheid hangt af van de deeltjesgrootte, pakkingsdichtheid en het contact tussen deeltjes.
Aluminiumoxidedeeltjes zijn harder en hoekiger dan MgO-deeltjes. Ze pakken dichter op en creëren meer contactpunten tussen aangrenzende deeltjes. Meer contactpunten betekenen meer paden waar warmte kan stromen. Het resultaat is een hogere effectieve thermische geleidbaarheid in het verdichte vulmiddel.
Aluminiumoxide heeft ook een betere diëlektrische sterkte bij hoge temperaturen dan MgO. Hierdoor kan het vulmiddel dichter worden verdicht zonder risico op elektrische storing, wat de thermische geleidbaarheid verder verbetert.
| Filler-eigenschap | MgO | Aluminiumoxide-Verbeterd | Zuiver aluminiumoxide |
|---|---|---|---|
| Deeltjeshardheid | Gematigd | Hoog | Zeer hoog |
| Verpakkingsdichtheid | 2,8–3,1 g/cm³ | 3,0–3,3 g/cm³ | 3,2–3,5 g/cm³ |
| Diëlektrische sterkte | 15–20 kV/mm | 18–22 kV/mm | 20–25 kV/mm |
| Vochtopname | Hygroscopisch | Gematigd | Laag |
| Relatieve kosten | Laag | Gematigd | Hoger |
Vergelijking van vulmateriaaleigenschappen voor verwarmingselementen
Het effect op de temperatuur en levensduur van de mantel
Een verlaging van de temperatuur van de mantel met 5 tot 10 graden klinkt misschien niet significant, maar heeft een onevenredig groot effect op de levensduur. Permeatie en chemische aantasting worden thermisch geactiveerd. Elke verlaging van de temperatuur van de mantel met 10 graden halveert ruwweg de permeatiesnelheid. Bij maandenlang gebruik vertaalt deze reductie zich in een aanzienlijke verlenging van de levensduur.
Het effect op de kalkafzetting is vergelijkbaar. Kalkaanslag ontstaat bij voorkeur op hete oppervlakken. Een verwarming die op een temperatuur van 8 graden koeler werkt, accumuleert langzamer kalkaanslag, waardoor het interval tussen de vereiste reinigingsbeurten wordt verlengd en het risico op hete plekken onder de afzetting wordt verminderd.
| Verlaging van de temperatuur van de mantel | Verandering van de permeatiesnelheid | Wijziging van de schaalafzettingssnelheid | Verwachte verlenging van de levensduur |
|---|---|---|---|
| 3 graad | 20% lager | 10-15% lager | 15–25% |
| 5 graden | 30% lager | 15-25% lager | 25–40% |
| 8 graden | 45% lager | 25-35% lager | 40–60% |
| 12 graden | 60% lager | 35-50% lager | 60–90% |
Effect van temperatuurverlaging van de mantel op permeatie, schilfering en levensduur
Vochtbestendigheid en diëlektrische stabiliteit
Met aluminiumoxide-verbeterde vulstoffen bieden ook een betere vochtbestendigheid dan standaard MgO. MgO is hygroscopisch-het absorbeert vocht uit de lucht en uit procesvloeistoffen die de PTFE-mantel doordringen. Aluminiumoxide absorbeert minder vocht en behoudt zijn diëlektrische sterkte beter in vochtige omgevingen.
Dit is vooral belangrijk bij PTFE-verwarmers, waarbij de mantel de enige barrière vormt tussen de procesvloeistof en het vulmiddel. Als vocht het vulmiddel bereikt, neemt de isolatieweerstand af. Een vulmiddel dat vochtopname weerstaat, behoudt langer een hogere isolatieweerstand, waardoor het langer duurt voordat aardfouten optreden.
Wanneer aluminiumoxide-verbeterde vulstoffen de kosten waard zijn
Met aluminiumoxide-verbeterde vulstoffen verhogen de kosten van het verwarmingselement met 10-20%. Het voordeel van de -langere levensduur en lagere manteltemperatuur- rechtvaardigt de kosten in veeleisende toepassingen waarbij vervanging van de verwarming duur of storend is.
Bij mild gebruik-lage temperaturen, lage viscositeit en schone vloeistoffen- is het voordeel kleiner en kan de standaard MgO-vuller voldoende zijn. Bij agressief gebruik-hoge temperatuur, stroperige vloeistoffen, kalkaanslag-vormende chemie-levert de met aluminiumoxide-verbeterde vulstof meetbare verbeteringen.
| Sollicitatie | Standaard MgO | Aluminiumoxide-Verbeterd | Aanbeveling |
|---|---|---|---|
| Spoelen met water,<60°C | Adequaat | Marginaal voordeel | Standaard MgO |
| Zuurplateren, 60-70 graden | Aanvaardbaar | Matig voordeel | Aluminiumoxide-verbeterd |
| Vernikkelen, 55 graden | Marginaal | Goed voordeel | Aluminiumoxide-verbeterd |
| Chemisch nikkel, 88 graden | Arm | Aanzienlijk voordeel | Aluminiumoxide-verbeterd |
| Chroomzuur, 60 graden | Marginaal | Goed voordeel | Aluminiumoxide-verbeterd |
Aanbevelingen voor de keuze van vulstoffen per toepassing
Wanneer de keuze van de vulstof niet genoeg is
Het vulmiddel is een onderdeel van het thermische pad. Zelfs het beste vulmiddel kan een te dikke PTFE-mantel, een te hoge wattdichtheid of een te lage stromingsconditie niet compenseren. De verbetering van het vulmiddel is stapsgewijs-het verlaagt de temperatuur van de mantel met een paar graden, niet met tientallen graden.
In toepassingen waarbij de manteltemperatuur ver boven het veilige bereik ligt, is de oplossing het verminderen van de wattdichtheid, het verbeteren van de doorstroming of het vergroten van het oppervlak. De keuze van de vuller is een verfijning, geen oplossing.
Een op maat gemaakte configuratie van een PTFE-dompelverwarmer combineert aluminiumoxide-versterkte vulstoffen met een lage wattdichtheid, een groot oppervlak en verbeterde stromingstoegang om de temperatuur van de mantel op meerdere fronten te verlagen. Het specificatieproces vereist de badchemie, bedrijfstemperatuur, stromingsomstandigheden en het vereiste wattage. Voor faciliteiten met veeleisende toepassingen levert deze combinatie de langste levensduur.
