Kokios yra PTFE elektros izoliacijos savybės ir kodėl jos svarbios panardinamiesiems šildytuvams?

Jei elektra varomą šildytuvą įkišate į laidų skystį (pvz., rūgšties ar druskos tirpalą), turite būti visiškai elektriškai izoliuotas. Dėl bet kokios nuotėkio srovės gali atsirasti dengimo defektų, dingusios srovės korozijos arba personalo smūgio pavojus. Puikios PTFE elektros izoliacijos savybės suteikia šią gyvybiškai svarbią barjerą. Pats panardinamasis šildytuvas be patikimai izoliuojančios dangos yra proceso taršos šaltinis ir kelia pavojų saugai. Dielektrinis stiprumas yra pagrindinė savybė, kurią reikia žinoti apie PTFE elektros izoliacijos panardinamųjų šildytuvų veikimą.

Kas yra dielektrinis stiprumas ir kodėl mums jo reikia?
Dielektrinis stiprumas yra didžiausias elektrinis laukas, kurį medžiaga gali atlaikyti prieš suirdama ir tapdama laidi. Paprastai tai nurodoma kilovoltais milimetre (kV/mm). Jei elektrinis laukas per izoliatorių viršija to izoliatoriaus dielektrinį stiprumą, elektronai varomi per medžiagą, kad sudarytų laidų kanalą. Tai gali nepavykti iš karto ir kataklizmiškai.

Trumpalaikis PTFE dielektrinis stipris yra ne mažesnis kaip 15 kV/mm. Šis skaičius gerokai viršija vidutinę panardinamųjų šildytuvų darbinę įtampą, kuri yra nuo 110 V iki 480 V kintamosios srovės. Net esant 480 V, izoliacijos storis, būtinas norint išvengti gedimo, yra mažesnis nei 0,05 mm, jei medžiaga yra tinkama. Praktiškai PTFE apvalkalai gaminami nuo 1 iki 3 mm storio, todėl pasiekiama plati saugos riba.

Svarbu pažymėti, kad 15 kV/mm skaičius yra trumpalaikis, nuolatinės srovės arba ypač trumpas kintamosios srovės poveikis. Nepertraukiamai veikiant kintamosios srovės dažniu (50/60 Hz), ilgalaikis -dielektrinis stiprumas sumažėja dėl dalinio iškrovimo ir senėjimo. Tačiau net ir konservatyvūs vien PTFE nepertraukiamo darbo dielektrinio stiprumo įverčiai yra 4–6 kV/mm, o tai yra daugiau nei pakankama tipinei šildytuvų įtampai.

Kaip PTFE apsaugo nuo srovės nuotėkio laidžiose voniose
Daugelyje panardinamųjų šildytuvų naudojami labai laidūs skysčiai: galvanizavimo tirpalai (nikelis, varis, chromas), anodavimo vonios (sieros arba fosforo rūgštis) ir ėsdinimo tirpalai (vandenilio chlorido arba azoto rūgštis). Šių skysčių savitoji varža yra tokia maža kaip keletas omų cm. Jei šildytuvo izoliacija nutrūktų, šildytuvo viduje esantis varžos laidas bus tiesiogiai prijungtas prie vonios.

Siekiant išvengti tokio nuotėkio, PTFE elektros izoliacinis panardinamasis šildytuvas turi tris svarbias elektrines savybes:

Didelis dielektrinis stiprumas - Apsaugo nuo elektros gedimo per apvalkalo storį.

Didelė savitoji varža- Neteka srovės per birių medžiagų.

Didelė paviršiaus varža - Neleidžia sekti srovės išoriniame paviršiuje, ypač drėgnomis arba užterštomis sąlygomis.

PTFE tūrinė savitoji varža yra didesnė nei 10^18 omų-cm, o tai yra viena didžiausių bet kurios kietos izoliacinės medžiagos verčių. Palyginimui, įprastų izoliatorių, tokių kaip nailonas, tūrinė varža yra maždaug 10¹²–10¹⁴ omų-cm. PTFE turi labai didelę varžą, todėl net ir labai plonas nepažeisto PTFE sluoksnis pasiūlys praktiškai neribotą atsparumą elektrai.

Kas atsitinka, kai izoliacija nepavyksta?
Lauko patirtis rodo, kad PTFE izoliacijos gedimo pasekmės retai būna subtilios. Dėl skylučių, įtrūkimų ar plonų vietų ant apvalkalo į vonią gali tekėti srovė. Priklausomai nuo taikymo, atsiranda keletas atskirų sunkumų:

Dengimo gedimai - Klaidžiojanti srovė iš šildytuvo keičia srovės pasiskirstymą ant ruošinio galvanizavimo rezervuaruose. Dėl to gali susidaryti netolygus nuosėdų storis, atsirasti mazgelių arba sudeginti nuosėdos.

Klaidžiojančios srovės korozija - Nuotėkio srovė nukreipiama į žemę kitų metalinių komponentų, esančių bako-šilumokaičiuose, rezervuaro sienelėse arba stelažuose. Tai pagreitina koroziją srovės išėjimo taškuose.

Žmonių smūgio pavojus - Jei vonia įžeminta (kaip įprasta daugelyje dengimo linijų), nuotėkio srovė skystyje sukelia įtampos gradientą. Jei prisiliesite prie vonios ir ką nors įžeminsite, galite gauti elektros smūgį.

Šildytuvo gedimas nepasibaigus jo eksploatavimo laikui - Dėl nuotėkio srovės izoliacijos gedimo vietoje paprastai atsiranda vietinis šildymas, o tai dar labiau pablogina PTFE ir galiausiai atsiranda grandinės arba įžeminimo gedimas.

Tiesą sakant, pirmasis nepakankamos izoliacijos požymis dažnai yra susijęs su procesu, o ne su šildytuvu. Dengimo operatoriai dažnai pastebi prastą nuosėdų kokybę prieš suveikiant bet kokiam elektros apsaugos įtaisui.

PTFE izoliacija, palyginti su kitomis medžiagomis
PTFE nėra vienintelis fluorpolimeras, naudojamas panardinamojo šildytuvo izoliacijai. PFA (perfluoralkoksi) ir FEP (fluorintas etileno propilenas) yra chemiškai ir elektra panašūs. Vis dėlto PTFE tebėra dažniausiai nurodytas, nes dėl jo elektrinių savybių, įperkamumo ir prieinamumo derinio. Žemiau esančioje lentelėje pateikiamas populiarių izoliacinių medžiagų, naudojamų panardinamuose šildytuvuose, dielektrinis stipris ir tūrinė varža.

Izoliacinės medžiagos dielektrinis stiprumas (kV/mm, trumpalaikis) Tūrio savitoji varža (ohm-cm) Maksimali nepertraukiamo eksploatavimo temperatūra (laipsnis)
PTFE 15–20 > 10^18 260 PFA 15–20 > 10^18 260
15–20 FEP > 10^18 200
ETFE 15 – 18 1016 – 1017 150
Polipropilenas 18–22 (chemiškai skaidosi) 10¹⁵–10¹⁷ 80 (vandenyje)
Silikono guma 14–20 1014–1015 180
Pastaba: Dielektrinis stipris skirtas švariems, sausiems mėginiams, išmatuotiems laboratorijoje. Realiems rezultatams įtakos turi temperatūra, drėgmė ir cheminis poveikis.

Įdomu tai, kad net jei polipropileno ir ETFE dielektrinis stiprumas yra lygus ar net geresnis nei PTFE sausomis sąlygomis, jie nėra chemiškai atsparūs ir neturi didelio terminio stabilumo kaip PTFE. Vienintelės realios galimybės naudoti agresyvias chemines vonias aukštesnėje temperatūroje yra PTFE ir jo giminaičiai fluoropolimerai, PFA ir FEP.

Kodėl nepakanka didelio dielektrinio stiprumo
PTFE turi puikų dielektrinį stiprumą, kuris yra didesnis nei 15 kV/mm arba lygus 15 kV/mm, nors pasikliauti tik tuo dėl elektros saugos būtų nebaigta. Faktoriai, turintys įtakos efektyviam izoliacijos efektyvumui, yra šie:

Temperatūra - Didėjant temperatūrai, PTFE dielektrinis stipris mažėja. Esant 200 laipsnių temperatūrai, ji gali būti sumažinta iki maždaug 50–60 % aplinkos temperatūros vertės.

Drėgmės sugėrimas - PTFE yra hidrofobinis ir beveik nesugeria vandens. Tačiau, jei yra užteršimo arba paviršiaus įtrūkimų, drėgmė gali suformuoti laidžius kanalus aplink tūrinę izoliaciją.

Mechaniniai pažeidimai - Įbrėžimai, dilimas arba netinkamas lenkimas gali lokaliai sumažinti apvalkalo storį ir taip padidinti elektrinio lauko įtempį.

Senėjimas ir dalinis iškrovimas - Dalinė iškrova mikroskopinėse erdvėse lėtai ardo PTFE per daugelį kintamosios srovės veikimo metų, todėl sumažėja efektyvusis dielektrinis stiprumas.

Lauko patirtis parodė, kad daugumos PTFE panardinamųjų šildytuvų izoliacijos gedimų priežastis nėra įtampos nutrūkimas dėl nepažeistos medžiagos. Atvirkščiai, jie atsiranda dėl mechaninių pažeidimų, cheminio poveikio sandariklių paviršiams arba šilumos skilimo. Didelis PTFE dielektrinis stiprumas suteikia gerą saugos ribą, bet neatleidžia nuo būtinybės tinkamai tvarkyti, montuoti ir prižiūrėti.

Sistemos projektavimo vaidmuo: žemės ir GFCI apsauga
Netgi geriausias PTFE elektros izoliacijos panardinamojo šildytuvo dizainas gali turėti trūkumų. Todėl antrinės apsaugos mechanizmai turėtų būti integruoti į tinkamą sistemos dizainą:

Įrangos įžeminimas - Išorinės metalinės šildytuvo dalys (flanšas, tvirtinimo laikiklis arba įžeminimo laidas) turi būti sujungtos su įrenginio įžeminimo sistema. Tai suteikia mažos varžos kanalą atgal į bet kokios nuotėkio srovės šaltinį. Tai sukelia viršsrovių įrenginių veikimą.

Įžeminimo grandinės pertraukiklis (GFCI) arba apsauga nuo įžeminimo gedimų - GFCI įrenginiai suvokia net 5–30 mA disbalansą tarp linijos ir neutralios srovės. Apsauga nuo įžeminimo gedimų reikalinga drėgnose vietose, pvz., dengiamuose rezervuaruose žmonių saugumui užtikrinti.

Periodic insulation resistance testing - Testing insulation resistance with a megohmmeter between the heater leads and ground (heater dry and de-energised) can detect insulation degradation before failure. Typical acceptable values are >1 megaohmas žemos įtampos šildytuvams, o nauji PTFE šildytuvai dažnai yra gigaohų srityje.

Svarbu suprasti, kad jokia izoliacija nėra ideali ir visos medžiagos laikui bėgant genda. Įžeminimas ir GFCI apsauga suteikia antrą apsaugos sluoksnį, kuris išlieka veiksmingas net ir pablogėjus PTFE izoliacijai.

Praktinės reikšmės šildytuvo pasirinkimui ir veikimui
PTFE elektros izoliacinės savybės tiesiogiai priklauso nuo dizaino pasirinkimų, kai pasirenkamas panardinamasis šildytuvas laidžiai voniai:

Apvalkalo storis Stori apvalkalai padidina dielektrinį stiprumą ir mechaninį atsparumą, mažesnį šilumos perdavimą. Priklausomai nuo darbinės įtampos ir cheminės aplinkos, reikia rasti tinkamą balansą.

Vardinė įtampa - Kuo aukštesnė įtampa, tuo mažesnė to paties šildytuvo galios srovė ir mažesni laidų varžiniai nuostoliai. Tačiau kuo aukštesnė įtampa, tuo didesnis įtempis izoliacijai nuo elektrinio lauko. Dauguma PTFE panardinamųjų šildytuvų yra skirti 240 V arba 480 V kintamajai įtampai, o pastariesiems reikia skirti ypatingą dėmesį apvalkalo kokybei.

Patikrinimo ir keitimo intervalai - Vonioms, turinčioms didelį laidumą ir agresyvią chemiją, reikia reguliariau tikrinti izoliaciją. Jei izoliacijos varža mažėja, tuomet reikia planuoti šildytuvo keitimą.

Tiesą sakant, daugelis bako operatorių mano, kad šildytuvas su PTFE{0}}apvalkalu yra elektra „nematomas“ voniai. Tai galioja tik tol, kol izoliacija yra sausa ir nepažeista. Bet koks pertrūkis, kad ir koks nedidelis, iš karto susieja šildytuvo elektros grandinę su vonia.

Išvada
PTFE pasižymi puikiomis elektros izoliacinėmis savybėmis, pvz., mažiausiai 15 kV/mm dielektriniu stipriu ir didesne nei 10^18 omų -cm tūrio varža, kurios yra svarbios saugiam ir neužterštam{4}} panardinamam šildymui. Šios savybės riboja srovės nutekėjimą iš vidinės varžos laido į labai laidžias chemines vonias, todėl pašalinami dengimo trūkumai, skleidžiamos srovės korozija ir smūgio pavojus.

Tačiau geros medžiagos savybės nesuteikia saugumo prasmės. PTFE elektrinės izoliacijos panardinamasis šildytuvas priklauso nuo tinkamo apvalkalo storio, kruopštaus gamybos, kad išvengtumėte skylių, ir teisingo montavimo, kad būtų išvengta mechaninių pažeidimų. Nėra tokio dalyko kaip patikima izoliacija, todėl įžeminimas ir apsauga nuo įžeminimo yra esminės kiekvienos panardinamo šildymo sistemos dalys.

Elektros sauga drėgnoje aplinkoje priklauso nuo gerų medžiagų ir tinkamo sistemos projektavimo. PTFE yra pirmoji gynybos linija – elektrinis barjeras, kuris yra itin tvirtas. Antrasis – per antrinius apsaugos mechanizmus. Kartu jie leidžia panardinamiesiems šildytuvams patikimai veikti daugelį metų sudėtingiausiomis pramonės cheminėmis ir elektros sąlygomis.