Une usine chimique a comparé deux thermoplongeurs en PTFE de 4 kW en service identique. Les deux étaient évalués pour la même tension et la même densité de watts. L’un d’entre eux a utilisé une charge d’oxyde de magnésium standard. L'autre utilisait une charge améliorée à l'alumine-. Le radiateur rempli d'alumine-fonctionnait avec une température de gaine inférieure de 8 à 12 degrés pour la même puissance de sortie, et il a duré près de deux fois plus longtemps avant que la résistance d'isolation ne diminue. La différence n'était pas la gaine PTFE. C'était ce qu'il y avait à l'intérieur.
Le remplissage interne d'un thermoplongeur a deux fonctions : il isole électriquement l'élément de résistance de la gaine métallique et il conduit la chaleur de l'élément à la gaine. L'oxyde de magnésium est la charge standard depuis des décennies car il est peu coûteux, possède une bonne rigidité diélectrique et tolère des températures élevées. Mais la conductivité thermique du MgO-environ 30 à 40 W/m·K lorsqu'il est densément compacté-n'est pas la plus élevée disponible. L'alumine offre une conductivité plus élevée et son mélange avec du MgO améliore le transfert de chaleur sans sacrifier l'isolation électrique.
Le chemin thermique à l'intérieur d'un radiateur en PTFE
La chaleur générée par le fil de résistance doit traverser trois couches avant d'atteindre le fluide du procédé : la charge MgO ou alumine, la gaine métallique de l'élément interne et la gaine externe en PTFE. La paroi en PTFE constitue la plus grande barrière thermique, mais le matériau de remplissage apporte une résistance mesurable.
Pour un élément typique avec un diamètre de 6 mm et un anneau de remplissage de 1,5 mm, la chute de température à travers le MgO à 1,2 W/cm² est d'environ 8 à 12 degrés. La chute à travers la paroi en PTFE est de 12 à 18 degrés. La chute à travers la couche limite convective est de 10 à 20 degrés. Espace total entre la gaine- et- : 30 à 50 degrés.
Le remplacement du MgO par une charge améliorée à l'alumine- réduit la contribution de la charge de 30 à 50 %. L'écart total diminue de 3 à 6 degrés. Cette réduction peut sembler minime, mais elle se traduit directement par une température de gaine plus basse-et une température de gaine plus basse signifie une perméation plus lente, un dépôt de tartre plus lent et une durée de vie plus longue.
| Matériau de remplissage | Conductivité thermique | Remplisseur ΔT à 1,2 W/cm² | Gaine totale ΔT | Durée de vie relative |
|---|---|---|---|---|
| MgO standard | 30–35 W/m·K | 10-12 degrés | 38-48 degrés | Référence |
| MgO haute-densité | 35–40 W/m·K | 8 à 10 degrés | 35-44 degrés | 1.1–1.2× |
| Alumine-MgO amélioré | 40–50 W/m·K | 6 à 8 degrés | 32 à 40 degrés | 1.3–1.5× |
| Alumine de haute-pureté | 50–60 W/m·K | 5 à 7 degrés | 30 à 38 degrés | 1.4–1.6× |
Conductivité thermique des charges et son effet sur la température de la gaine et la durée de vie
Pourquoi l'alumine conduit mieux la chaleur que le MgO
L'alumine (Al₂O₃) a une conductivité thermique de 30 à 35 W/m·K sous sa forme cristalline pure, similaire au MgO. Mais la charge utilisée dans les éléments chauffants n'est pas un monocristal - c'est une poudre compactée. La conductivité thermique effective dépend de la taille des particules, de la densité de tassement et du contact entre les particules.
Les particules d'alumine sont plus dures et plus anguleuses que les particules de MgO. Ils sont plus denses et créent davantage de points de contact entre les particules adjacentes. Plus de points de contact signifie plus de chemins pour que la chaleur circule. Le résultat est une conductivité thermique effective plus élevée dans la charge compactée.
L'alumine a également une meilleure résistance diélectrique à haute température que le MgO. Cela permet à la charge d'être compactée plus densément sans risquer de panne électrique, ce qui améliore encore la conductivité thermique.
| Propriété de remplissage | MgO | Alumine-Améliorée | Alumine pure |
|---|---|---|---|
| Dureté des particules | Modéré | Haut | Très élevé |
| Densité d'emballage | 2,8 à 3,1 g/cm³ | 3,0 à 3,3 g/cm³ | 3,2 à 3,5 g/cm³ |
| Rigidité diélectrique | 15-20 kV/mm | 18-22 kV/mm | 20 à 25 kV/mm |
| Absorption de l'humidité | Hygroscopique | Modéré | Faible |
| Coût relatif | Faible | Modéré | Plus haut |
Comparaison des propriétés des matériaux de remplissage pour les éléments thermoplongeurs
L'effet sur la température de la gaine et la durée de vie
Une réduction de 5 à 10 degrés de la température de la gaine peut ne pas sembler significative, mais elle a un effet disproportionné sur la durée de vie. La perméation et l'attaque chimique sont activées thermiquement. Chaque réduction de 10 degrés de la température de la gaine réduit environ de moitié le taux de perméation. Au fil des mois de fonctionnement, cette réduction se traduit par une prolongation substantielle de la durée de vie.
L’effet sur le dépôt de tartre est similaire. Le tartre se forme préférentiellement sur les surfaces chaudes. Un appareil de chauffage fonctionnant à une température plus froide de 8 degrés accumule le tartre plus lentement, prolongeant l'intervalle entre les nettoyages requis et réduisant le risque de formation de points chauds sous le dépôt.
| Réduction de la température de la gaine | Changement du taux de perméation | Changement du taux de dépôt de tartre | Extension de la durée de vie prévue |
|---|---|---|---|
| 3 degrés | 20% de moins | 10 à 15 % de moins | 15–25% |
| 5 degrés | 30% de moins | 15 à 25 % de moins | 25–40% |
| 8 degrés | 45 % de moins | 25 à 35 % de moins | 40–60% |
| 12 degrés | 60% inférieur | 35 à 50 % de moins | 60–90% |
Effet de la réduction de la température de la gaine sur la perméation, l'entartrage et la durée de vie
Résistance à l'humidité et stabilité diélectrique
Les charges améliorées à l'alumine-offrent également une meilleure résistance à l'humidité que le MgO standard. Le MgO est hygroscopique-il absorbe l'humidité de l'air et des fluides de traitement qui imprègnent la gaine PTFE. L'alumine absorbe moins d'humidité et conserve mieux sa rigidité diélectrique dans les environnements humides.
Ceci est particulièrement important dans les réchauffeurs en PTFE, où la gaine est la seule barrière entre le fluide de procédé et la charge. Si l'humidité atteint le matériau de remplissage, la résistance de l'isolation diminue. Un matériau de remplissage qui résiste à l'absorption d'humidité maintient une résistance d'isolation plus élevée plus longtemps, prolongeant ainsi le délai avant que les défauts de terre ne se déclenchent.
Quand les charges améliorées à base d'alumine-en valent la peine
Les charges améliorées à l'alumine-ajoutent 10 à 20 % au coût de l'élément chauffant. L'avantage -durée de vie plus longue et température de gaine plus basse-justifie le coût dans les applications exigeantes où le remplacement du chauffage est coûteux ou perturbateur.
En service doux-fluides propres à basse température et à faible viscosité-l'avantage est moindre et le remplissage MgO standard peut être adéquat. En service agressif-fluides visqueux à haute température,-produits chimiques formant du tartre-la charge améliorée à l'alumine-apporte des améliorations mesurables.
| Application | MgO standard | Alumine-Améliorée | Recommandation |
|---|---|---|---|
| Rinçage à l'eau,<60°C | Adéquat | Avantage marginal | MgO standard |
| Placage acide, 60-70 degrés | Acceptable | Bénéfice modéré | Alumine-améliorée |
| Nickelage, 55 degrés | Marginal | Bon avantage | Alumine-améliorée |
| Nickel chimique, 88 degrés | Pauvre | Avantage important | Alumine-améliorée |
| Acide chromique, 60 degrés | Marginal | Bon avantage | Alumine-améliorée |
Recommandations de sélection de charges par application
Quand le choix des produits de remplissage ne suffit pas
La charge est un composant du chemin thermique. Même le meilleur matériau de remplissage ne peut pas compenser une gaine PTFE trop épaisse, une densité en watts trop élevée ou un débit trop faible. L'amélioration du remplissage est progressive-elle réduit la température de la gaine de quelques degrés, et non de dizaines de degrés.
Dans les applications où la température de la gaine est bien supérieure à la plage de sécurité, la solution consiste à réduire la densité en watts, à améliorer le débit ou à augmenter la surface. Le choix du remplissage est un raffinement, pas une solution.
Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE combine des charges améliorées à l'alumine- avec une faible densité en watts, une surface élevée et un accès amélioré au flux pour réduire la température de la gaine sur plusieurs fronts. Le processus de spécification nécessite la chimie du bain, la température de fonctionnement, les conditions d'écoulement et la puissance requise. Pour les installations avec des applications exigeantes, cette combinaison offre la durée de vie la plus longue.
