L'eau désionisée (DI) a une très faible conductivité électrique -généralement de 0,1 à 10 µS/cm, contre 500 à 1 000 µS/cm pour l'eau du robinet. Dans une situation de défaut à la terre où la gaine PFA est rompue et l'élément chauffant entre en contact avec l'eau DI, le courant de fuite est bien inférieur à celui de l'eau du robinet en raison de la résistivité élevée de l'eau DI. Un GFCI (disjoncteur de fuite à la terre) standard de 30 mA peut ne pas se déclencher car le courant de fuite à travers l'eau DI peut être de seulement 5 à 15 mA-insuffisant pour atteindre le seuil de 30 mA. Le radiateur continue de fonctionner avec un défaut latent et le noyau métallique se corrode lentement au fil des semaines ou des mois. Finalement, les produits de corrosion peuvent créer un chemin conducteur ou le noyau peut ne pas s'ouvrir, mais le délai permet la contamination du bain. Pour les systèmes d'eau DI, les seuils de déclenchement du GFCI doivent être de 5 à 10 mA et non de 30 mA. Certaines juridictions autorisent 5 mA pour la protection des équipements dans les fluides à haute -résistivité.
Conductivité et courant de fuite dans l'eau DI
Le courant de fuite d'un élément chauffant exposé (120 VAC) vers la terre à travers l'eau DI est I=V / R, où R est la résistance du chemin de l'eau. Résistance R=ρ × L / A, où ρ est la résistivité (Ω·cm), L est la longueur du trajet (cm), A est la section transversale-surface de la section (cm²). Pour l'eau DI avec ρ=1 MΩ·cm (1 000 000 Ω·cm), L=10 cm, A=1 cm², R=1 000 000 × 10 / 1=10 000 000 Ω. Courant de fuite I = 120/10 000,000=0.012 mA-bien en dessous de tout seuil. Cependant, si la zone exposée est plus grande (A=100 cm²) et le trajet plus court (L=1 cm), R=1 000 000 × 1 / 100=10 000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. C'est supérieur à 5 mA mais inférieur à 30 mA. Un GFCI de 30 mA ne se déclencherait pas ; un GFCI de 5 mA se déclencherait en 200 à 300 ms.
À mesure que le noyau chauffant se corrode, les ions métalliques (nickel, fer, chrome) se dissolvent dans l'eau DI, augmentant ainsi la conductivité. Un petit défaut qui commence à 12 mA peut atteindre 30 mA en 24 à 48 heures. Pendant ce temps, le réchauffeur continue de fonctionner et des ions métalliques contaminent l'eau DI. Dans les systèmes DI à semi-conducteurs ou pharmaceutiques, même des niveaux d'ions métalliques de l'ordre du ppb peuvent détruire le produit. Un GFCI de 5 mA se déclenche lorsque le défaut est encore faible, minimisant ainsi la contamination.
Comparaison des seuils de déclenchement GFCI pour l'eau DI
| Type d'eau | Conductivité (µS/cm) | Courant de fuite typique d'un petit défaut (mA) | Déclenchement GFCI 30 mA ? | Déclenchement GFCI 10 mA ? | Déclenchement GFCI 5 mA ? | Risque de défaut non détecté |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Eau du robinet | 500 | 50–200 | Oui (immédiat) | Oui | Oui | Faible |
| Eau osmosée | 10–50 | 10–50 | Parfois (marginal) | Oui (la plupart des cas) | Oui | Modéré |
| Eau DI (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Rare (uniquement gros défauts) | Parfois | Yes (for faults >5 mA) | Élevé avec 30 mA |
| DI ultra-pure (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | Non | Non (défauts<10 mA) | Non (défauts<5 mA) | Très élevé (le GFCI peut ne jamais se déclencher) |
Considérations particulières pour la DI ultra-pure
Dans l'eau DI ultra-pure (18 MΩ·cm, utilisée dans les usines de fabrication de semi-conducteurs), les courants de fuite dus aux défauts du réchauffeur sont généralement inférieurs à 1 mA. Ni les GFCI de 30 mA ni de 5 mA ne se déclencheront. Pour de tels systèmes, le radiateur doit être conçu avec plusieurs barrières (par exemple, des gaines doubles en PFA) ou utiliser une méthode de chauffage différente (par exemple, un radiateur à quartz en ligne). Certaines installations utilisent la surveillance de la résistance d'isolement (IRM) au lieu du GFCI : le système mesure en permanence la résistance entre l'élément chauffant et la terre. Lorsque la résistance descend en dessous d'un seuil (par exemple, 10 MΩ pour une DI ultra-pure), une alarme retentit. L'IRM peut détecter des défauts qui ne déclencheraient jamais un GFCI car le courant de fuite est trop faible (0,5 mA à 120 V jusqu'à 240 kΩ ? Attendez : I=120/10e6=0.012 mA). En fait, 10 MΩ donnent 0,012 mA, ce qui est détectable par IRM sensible mais pas par GFCI. Des seuils IRM de 1 à 10 MΩ sont utilisés.
Pour la plupart des systèmes d'eau DI (non-semi-conducteurs), la résistivité est de 0,5 à 5 MΩ·cm et les GFCI de 5 à 10 mA sont efficaces. Pour les semi-conducteurs ultra-DI purs, utilisez l'IRM (alarme à 1–10 MΩ) plus une construction à double-barrière.
Considérations relatives au code et aux juridictions
L'article 426 de NEC (NFPA 70) exige une protection contre les défauts à la terre pour les équipements de chauffage électrique fixes. Pour les thermoplongeurs, le seuil de déclenchement maximum est de 30 mA pour la protection des personnes. Cependant, l'article 427 autorise des seuils plus bas (jusqu'à 5 mA) pour la protection des équipements lorsque la protection du personnel n'est pas la principale préoccupation (par exemple, les radiateurs dans les zones accessibles mais sans -contact des utilisateurs-). Pour les systèmes d'eau DI, spécifiez « protection de l'équipement GFCI » avec un seuil de déclenchement de 5 à 10 mA. Dans certaines juridictions, un GFCI de 5 mA est requis pour tout chauffe-eau dont la conductivité est inférieure à 100 µS/cm. Vérifiez les codes locaux.
Pour équiper des réservoirs d'eau DI existants avec des GFCI de 30 mA, remplacez-les par des GFCI de 5 mA. Les unités sont interchangeables (même facteur de forme) et coûtent entre 50 et 100 $, bien moins que le coût d'un seul événement de contamination.
Exemple de champ
La boucle de polissage à l'eau DI d'une usine de semi-conducteurs utilisait des radiateurs PFA avec des GFCI de 30 mA. En deux ans, trois appareils de chauffage ont développé de petits défauts à la terre (courant de fuite de 10 à 20 mA) qui n'ont pas déclenché les disjoncteurs différentiels de 30 mA. Les opérateurs n'ont remarqué aucune alarme. Les ions métalliques (fer, nickel) se sont infiltrés dans l'eau DI, augmentant la résistivité de 18 MΩ·cm à 2 MΩ·cm et contaminant un lot de tranches. L'usine est passée aux GFCI 5 mA. Les défauts ultérieurs du chauffage se sont déclenchés immédiatement à 5 mA, limitant la contamination à des niveaux négligeables. L'usine a également ajouté l'IRM avec un seuil d'alarme de 10 MΩ pour les boucles ultra-pures.
Conclusion : utilisez un GFCI de 5 à 10 mA pour l'eau DI
Deionized water's low conductivity limits ground fault currents to 5–20 mA for typical breach sizes. A standard 30 mA GFCI may not trip, leaving the heater operating with a latent fault, corroding the core, and contaminating the bath. For DI water systems (0.5–5 MΩ·cm resistivity), specify a GFCI with 5–10 mA trip threshold. For ultra-pure DI water (>10 MΩ·cm), utilisez la surveillance de la résistance d'isolement au lieu du GFCI. Le coût d'un GFCI 5 mA est minime par rapport au coût de la contamination. N'expédiez pas de réchauffeur PFA pour un service d'eau DI avec un GFCI de 30 mA. Précisez plus bas. Voyagez tôt, voyagez souvent. Protégez le bain, protégez le produit.
