Kuinka mitata ohuella korkean{0}}lämpötilan silikonikerroksella päällystetyn PFA-lämmittimen tehokasta lämmönjohtavuutta?

Aggressiivisissa kemiallisissa ympäristöissä olevat PFA-lämmittimet peitetään ajoittain ohuella kerroksella (0,2-1,0 mm) korkean lämpötilan silikonikumia lisäämään korroosiosuojaa tai likaantumisenestoominaisuuksia. Silikonikerros parantaa lämmönkestävyyttä, mikä vähentää yleistä lämmönsiirtoa. Komposiittivaipan (PFA + silikoni) tehollinen lämmönjohtavuus k eff on määritettävä, jotta lämmitin mitoitetaan oikein. Käytännöllisin menetelmä on vakaan tilan vertaileva menetelmä, jolla mitataan lämpötilan pudotus päällystetyn vaipan poikki tunnetulla lämpövirralla [ . Tyypillisellä pinnoitteella (0,5 mm silikoni, k ~ 0,25 W/mK) PFA:lla (2 mm, k ~ 0,20 W/mK) tehokas lämmönjohtavuus on 0,21-0,22 W/mK - vain 5-10 % pienempi kuin pelkkä PFA, koska silikonikerros on ohut. Jos silikoni kuitenkin imee vettä tai turpoaa, k_eff voi olla niinkin alhainen kuin 0,15 - 0,18 W/m·K. Käytössä olevien pinnoitettujen lämmittimien normaali in situ -mittaus tehdään mieluiten pintatermopareilla.

Mittausperiaate
Tehokas lämmönjohtavuus, k_eff, lasketaan Fourierin lailla: k_eff=q × t_total / ΔT missä q on lämpövirta (W/m^2), t_total on kokonaispaksuus (PFA + silikoni, m) ja ΔT on lämpötilan muutos komposiittikerroksen poikki (aste ). Tasaisessa tilassa toimivalle lämmittimelle tunnetulla teholla q=P/A, jossa P on sähköteho watteina ja A on lämmittimen pinta-ala neliömetrinä. Tämä arvo on korjattu tehokkuuden suhteen, joka on normaalisti välillä 0,90 - 0,95. ΔT:tä valvotaan käyttämällä termopareja, jotka on kiinnitetty silikonin ulkopintaan (T_outer) ja upotettu PFA-metallikoskettimeen (T_inner) tuotannon aikana. Vaihtoehtoisesti voidaan laskea takaisin-vertailulämmittimen avulla tietäen .

In{0}}in situ -tekniikka ilman anturien upottamista:

Asenna kaksi samantyyppistä lämmitintä, yksi silikonipinnoitteella, toinen ilman (vertailulämmitin).

Käytä molempia samassa nesteessä, samalla teholla ja virtauksella.

Mittaa lämpötila molempien ulkopinnalta (T_coated, T_uncoated).

Laske PFA:n sisäpinnan lämpötila päällystämättömälle lämmittimelle: T_sisäpäällystämätön=T_päällystämätön + q × (t_PFA/k_PFA).

Oletetaan, että T_inner on identtinen päällystetylle lämmittimelle (sama sisälämpötila).

Sitten ΔT_coated=T_inner – T_coated. k_eff=q × (t_PFA + t_silikoni) / ΔT_pinnoitettu.

Tarvittavat laitteet
Toimintokomponentin erittely
Lämpöpari, tyyppi K, hieno lanka (0,25 mm), tarkkuus +0.5 astetta Mittaa lämpötilat pinnalta
Lämpötahna Korkean johtavuuden silikoniton (esim. boorinitridi)Varmistaa erinomaisen lämpöparin kosketuksen.
Tehomittari ±1 % tarkkuusSähkötehomittaus
Työsatulat ±0,01 mm Pinnoitteen paksuuden mittaus
IR-kamera (valinnainen) ±2 astetta tai parempi Tarkista tasainen pintalämpötila
Tiedonkeruulaite Moni-kanava, näytteenottotaajuus 1 Hz Lämpötilan tallennus
Tyypillisten konfiguraatioiden mittaustulokset
PFA Paksuus (mm) Silikonin paksuus (mm) Silikonin tyyppi k_PFA (W/m·K) k_silikoni (W/m·K) Laskettu k eff (W/mK) Mitattu k eff (W/m. K) (vakiotila) Virhe (%) 2.0 0 N/A 0.0.0.0.2. (ref) 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}% 0.20 0.22 0.207 0.210 1.4% {{19} 0.20 0.12 0.171 0.168 1.8% 2.0 0.5 Vanhentunut silikoni (200 astetta, 1 000 h) 0.20 0.18 0.197 0.195 1.0%
Analyysi: Havaittu k-eff on hyvin sopusoinnussa ennustetun sarjaresistanssimallin kanssa: 1/k-eff=(t_PFA/k_PFA + t_silikoni/k_silikoni) / t_yhteensä. 2,0 mm:n PFA:lle + 0.5 mm silikoni (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 Siten k eff=0.204} W.-m 3 -prosenttia sopivalla menetelmällä.

Measurement Protocol{0}}Vaihe vaiheelta
Laboratoriomittaus:

Valmistetaan testinäyte; litteä laatta tai lämmitinkappale, jossa on upotettu termopari PFA{0}}metallikoskettimeen.

päällystä säädellyn paksuisella silikonilla

Asenna näyte suojattuun keittolevylaitteeseen (ASTM E1530) tai lämpötilasäädeltyyn kylpyyn, jossa on tunnettu lämpövirta.

Tunnettu lämpövirta (10 000-50 000 W/m 2 )

Mittaa vakaan tilan lämpötilat (ulkopinta ja sisäpinta).

Laske k_eff Fourierin lain mukaan.

Palvelun -mittaus (kenttä, ei sisäänrakennettua-anturia):

Vakaa tila (muutos lämpötilassa<0.5 °C in 30 min).

Mittaa pinnoitetun kiukaan ulkopinnan lämpötila 3-5 pisteestä (termoparit lämpötahnalla ja teipillä).

Mittaa virtausnopeus ja nesteen lämpötila.

Laske lämpövirta sähkösyötöstä (mitta V, I, tehokerroin)

Sisäpinnan lämpötilan arvioimiseen voidaan käyttää valmistajan tai päällystämättömän vertailulämmittimen antamia ydinlämpötilan vs. wattitiheyden tietoja.

Laske k_eff ΔT-estimaatilla.

Silikonipinnoitteiden käytännön näkökohdat
Silikonilla on lämpötilasta{0}}riippuva lämmönjohtavuus, joka heikkenee ikääntymisen myötä. 200 asteen lämpötilassa k_silicone voi pienentyä 20–30 % 1 000 tunnin kuluttua silloittumisen ja täyteaineen kulumisen vuoksi. Vedenabsorptio (0,5–2 painoprosenttia) laskee k_silikonin arvosta 0,22 arvoon 0,12–0,15 W/m·K. Mittaa k_eff neljännesvuosittain lämmittimille kosteassa tai tiivistyvässä ympäristössä.

Jos mitattu arvo $k_{eff}$ on 15 % tai enemmän suunniteltua arvoa pienempi, harkitse:

- Silikonipäällysteen poistaminen (kuoriminen tai liuottimen poistaminen), jos sitä ei tarvita.

Lämmitin korvattu lämpöä johtavalla silikonilla (täytetty Al_2O_3:lla tai BN:llä, k noin 0,6-1,0 W/m·K).

Suurenna lämmittimen pinta-alaa kompensoidaksesi alhaisempaa lämmönsiirtoa.

Esimerkki kentästä
Kemikaalitehtaan peittämät PFA-lämmittimet, joissa on 0,7 mm:n RTV-silikoni, joka estää likaantumisen polymeeriliuoksessa. Laitos mittasi k_eff vertailulämmitinmenetelmällä ja sai 0,17 W/m·K, kun odotettu arvo oli 0,20 W/m·K (15 % pienempi). Alempi k johti siihen, että lämmittimet olivat 8-10 astetta kuumempia samalla teholla, mikä johti nopeampaan polymeerin likaantumiseen. Laitos päivitettiin lämpöä johtavaksi silikoniksi (k ~ 0,65 W/mK) ja sen k_eff=0.235 W/mK - hieman parempi kuin pelkkä PFA. Likaantuminen minimoitui ja lämmittimen käyttöikä kaksinkertaistui.

Päätelmä: Mitattu k_eff ±3 %:n sisällä ohuiden silikonipinnoitteiden sarjamallista
PFA-lämmittimen, joka on päällystetty ohuella kerroksella (0,2–1,0 mm) korkean lämpötilan silikonia, tehokas lämmönjohtavuus voidaan määrittää tarkasti vakaan tilan-vertailumenetelmillä, joissa käytetään pintatermopareja ja vertailulämmitintä. Yleiskäyttöisen -silikonin (k=0.22 W/m·K) ja standardin PFA:n (k ≈ 0,20 W/m·K) k_eff on 5 %:n sisällä pinnoitteiden k_PFA:sta.<0.5 mm. Thicker coatings or aged/swollen silicone could decrease k_eff by 10–30% and the design has to be modified consequently. Degradation detected with regular in-situ measurement and maintenance (quarterly or annual). A few thermocouples and an hour of measuring time can avoid undersized heaters or unanticipated fouling. Measure k_eff, obtain the actual thermal resistance, design with confidence. The coating might aid chemistry but hurt heat transfer. Assess the pain. Then choose.