Miten titaanivaippalämmittimen tehomodulaation taajuus (pulssi-leveysmodulaatio taajuudella 1 Hz vs

Sähköisissä titaanivaippalämmittimissä lämpötilaa ohjataan yleensä tehon pulssinleveysmodulaatiolla (PWM). PWM-signaalin taajuus vaikuttaa lämmittimen päälle/pois-jaksojen nopeuteen. Matalalla taajuudella (1 Hz) jokainen jakso aiheuttaa suuren 10-30 asteen lämpötilavaihtelun vastuslangassa ja titaanivaipassa. Korkealla taajuudella (100 Hz) kiukaan lämpömassa tasoittaa pulsseja niin, että lämpötilavaihtelut ovat vain 1-5 astetta. Tällaiset lämpötilan vaihtelut aiheuttavat syklisiä lämpöjännitystä sekä sisäisessä vastuslangassa, joka on yleensä nikkeli-kromiseoksesta, että titaanivaippaan. Jännitysamplitudin pienentäminen jokaisessa jaksossa 100 Hz:llä (vs 1 Hz) lisää termomekaanista väsymisikää kertoimella 5-10.

Tehon modulaation aiheuttama termomekaaninen väsymismekanismi

Kun se kytketään päälle, vastuslanka lämpenee ja venyy. Tämä laajeneminen rasittaa ympäröivää magnesiumoksidieristettä ja titaanivaippaa. Jokaisessa virrankatkaisujaksossa saadaan aikaan jäähtymistä ja supistumista. Jännitysamplitudi, ($\\Delta\\sigma$) on suhteessa lämpötilan vaihteluun, ($\\Delta$T) kertaa lämpölaajenemiskerroin. NiCr-langalle=14 x 10-6/aste. Titaanille=8.6 x 10-6/aste. 1 Hz:n modulaatiolla 30 asteen lämpötilan vaihtelulla NiCr-langan syklinen jännitys on ~ 0,04 %, joka riittää aiheuttamaan matalan syklin väsymisen miljoonien jaksojen aikana. 5 asteen heilahduksella 100 Hz:n modulaatiolla jännitys on vain 0,007 %, mikä on molempien materiaalien väsymisrajan alapuolella ja antaa lähes rajattoman käyttöiän.

Kvantitatiivisen väsymisajan PWM-taajuusriippuvuus

Grade 2 -luokan titaanivaippalämmittimien, joissa on NiCr-vastuslangat, väsymisajat 15 W/cm 2 tehotiheydellä eri PWM-taajuuksilla on esitetty alla kontrolloitujen testien perusteella. Jatkuvassa käytössä (ei modulaatiota, perusviiva), vastuslangan käyttöikä ylittää 100 000 tuntia ilman titaanivaipan lämpökulumista. Vastuslangan käyttöikä on 2 000–5 000 tuntia 0,1 Hz PWM:llä (1 jakso 10 sekunnin välein) ja 40 asteen heilahtelulla; titaanivaippa kehittää halkeamia 10 000 - 20 000 syklin jälkeen. Vastuslangan käyttöikä 1 Hz PWM taajuudella 30 asteen heilahtelulla on 5 000–15 000 tuntia ja titaanivaipan murtuminen 20 000–50 000 syklin jälkeen . 20 000–50 000 tuntia vastuslangan käyttöikä 10 Hz PWM taajuudella 15 astetta siivellä. Ei halkeamia titaanivaipassa 100 000 jakson aikana. Vastuslangan käyttöikä 100 Hz PWM:llä 5 asteen heilahtelulla on > 100 000 tuntia eikä titaanivaipassa ole lämpöjännitystä. 1000 Hz PWM:llä lämpötilan vaihtelu on alle 2 astetta ja suorituskyky on sama kuin jatkuvassa käytössä.

PWM-herkkyys tehotiheydelle ja lämmittimen geometrian vaikutukselle

PWM-taajuuden vaikutus riippuu lämmittimen lämpömassasta ja tehotiheydestä. Pienellä tehotiheydellä 5 W/cm² lämpötilan vaihtelut ovat pienemmät millä tahansa taajuudella, joten 1 Hz PWM-signaali vaihtelee vain 10 astetta ja langan käyttöikä on 20 000–50 000 tuntia. Suurella tehotiheydellä (25 W/cm2) 1 Hz:n PWM-signaali johtaa 50 asteen heilahdukseen ja langan käyttöikä lyhenee 1 000 -3 000 tuntiin. Ohutseinäisen putken (0,9 mm) lämpömassa on pienempi ja lämpötilavaihtelut suurempia. Paksuseinäisellä putkella (2,0 mm) lämpömassa on suurempi ja lämpötilavaihtelut pienenevät 30-50 %. Pitkällä lämmittimellä (2 m) lämpömassa vaimentaa myös lämpötilan vaihtelua päissä.

Titaanivaippalämmittimen PWM-taajuuden valintaopas - -

Seuraavassa taulukossa on ehdotuksia PWM-taajuudelle tehotiheyden, lämmittimen odotetun käyttöiän ja lämpötilan säätötarpeiden perusteella.

Tehon tiheys (W/cm²) Tavoitelämmittimen käyttöikä (tuntia) Lämpötilasäädön tarkkuus (± aste )Suositeltu PWM-taajuus (Hz) Odotettu lämpötilan heilahdus ( aste )<10 >50,000 2 1 10–15 <10 >50,000 0.5 100 2–5 10–20 >50,000 2 10 8–12 10–20 >50,000 0.5 1,000 1–3 20–30 >20,000 2 100 3–6 20–30 >50,000 1 1,000 1–2 >30 >10 000 Mikä tahansa 1,000+<2 Beyond PWM Frequency Selection Engineering

Titaanilaatu ei vaikuta vastuslangan lämpöväsymiskestävyyteen, kun taas Grade 7 titaanilla on samanlainen lämpölaajeneminen kuin Grade 2:lla. Vastuslangan materiaalilla on suuri vaikutus väsymisikään. NiCr 80/20 -langalla on suurempi lämpöväsymiskestävyys kuin FeCrAl-langalla. Magnesiumoksidieristeen laatu on tärkeä, samoin kuin tiivistynyt MgO kuljettaa lämpöä paremmin, mikä pienentää langan ja vaipan välistä lämpötilaeroa. Lämpöjännitystä voidaan vähentää edelleen pehmeällä-käynnistystehon säädöllä (asteittainen tehonlisäys täydellisten päälle{8}}pois-pulssien sijaan). Jos sovelluksessa vaaditaan tarkkaa lämpötilan säätöä, korkeampi PWM-taajuus (100 - 1000 Hz) on aina toivottava.

Hyvin{0}}tietoisen määrittelyn laatiminen

Power modulation of a titanium sheath heater with a PWM frequency of 100 Hz or higher is recommended to reduce thermomechanical fatigue. For high power density applications (>20 W/cm2), käytä 1 000 Hz:n PWM- tai vaihekulmaohjainta (tasainen tehonsäätö) päälle -pois-modulaation sijaan. Olemassa oleviin matalataajuisiin (1 Hz) lämmittimiin joko asenna tasoituskela tai vaihda säädin suurtaajuiseksi PWM:ksi. Jos lämpötilan säätötarkkuus ±2 astetta sopii useimpiin sovelluksiin, 10 Hz:n taajuus tarjoaa riittävän lämpöväsymisiän. Insinööri toimii 100 Hz PWM taajuudella 1 Hz:n sijaan, jolloin lämpötilan vaihtelu pienenee 30 astetta 5 asteeseen, mikä lisää vastuslangan ja titaanivaipan väsymisikää 5-10 kertaa.