Який вплив сильного вигину на провід внутрішнього опору та його електричні характеристики?

ПТФЕ-оболонка може виглядати нормально зовні, але якщо резистивний дріт був перенапружений під час згинання, всередині утворюється гаряча точка. Вигин є частим місцем раннього вигоряння, і основною причиною часто є механічне пошкодження дроту, пошкодження, яке неможливо виявити будь-яким зовнішнім оглядом. Розуміння ефекту функціонування PTFE-нагрівача з внутрішнім резистивним дротом є основоположним для будь-кого, хто спеціалізує або встановлює фігурні занурювальні нагрівачі у складних промислових операціях.

Реакція дроту внутрішнього опору на вигин
Всередині кожного занурювального нагрівача PTFE є металевий резистивний дріт. Зазвичай використовується сплав NiCr (нікель-хром) (ніхром). Дріт є робочим серцем обігрівача; при проходженні через нього електричного струму виникає резистивний нагрів. У більшості конструкцій дріт скручується в ідеальну спіральну котушку або прокладається у вигляді прямої, однорідної нитки по всій довжині оболонки з PTFE.

Потім утеплювач згинається в певній формі. Потім дріт опору згинається за такою ж кривою. Механічний відгук дроту є функцією положення відносно вигину:

Із зовнішнього боку згину - дріт натягується. Якщо радіус вигину досить великий, дріт пружно розтягується і повернеться до своєї початкової довжини, коли сила згину буде звільнена. Але якщо згин надто різкий, дріт переходить межу пружності та набуває постійної пластичної деформації, що робить її локально тоншою.

Дріт знаходиться під напругою стиснення всередині вигину. Якщо ви різко зігнете його, внутрішнє коло дроту стиснеться, і дріт зігнеться/зламається/згорнеться. У конструкції спірального дроту послідовні витки можуть торкатися один одного або розташовуватися нерівномірно.

Електричні наслідки: гаряча точка та розтягнутий дріт
Електричні збої різного типу виникають через щільні згини резистивного дроту нагрівача PTFE, що призводить до зниження продуктивності та скорочення терміну служби.

Локалізоване підвищення опору
Коли дріт розтягується та згинається назовні, дріт із опором стає тоншим, а площа-перерізу зменшується. Електричний опір обернено пропорційний площі поперечного-перерізу, тому тонша частина має більший опір на одиницю довжини. Це місцеве збільшення опору означає, що для того самого струму, що проходить через увесь нагрівач, зігнутий шматок виробляє непропорційно більшу кількість тепла (потужність=I2R). Це утворює гарячу точку, крихітну частину нагрівача, де температура набагато вища, ніж решту нагрівача.

Наслідки гарячих точок
Гаряча точка відповідає за низку механізмів збою:

Окислення опорного дроту - Чим швидше окислюється сплав NiCr, тим вища температура. Окислення ще більше збільшує опір, створюючи позитивну петлю зворотного зв’язку, яка зрештою призведе до розплавлення або розриву ланцюга.

Деградація навколишньої оболонки з ПТФЕ - ПТФЕ можна постійно експлуатувати при 110 градусах, хоча гаряча пляма локально може перевищувати 200 градусів або більше. При цих температурах PTFE починає псуватися, втрачати діелектричну міцність і, можливо, виділяти корозійні побічні продукти. При перенапруженому вигині оболонка може розм'якшитися, деформуватися або тріснути.

Скорочення терміну служби дроту-внаслідок втоми
Коли пластична деформація не розриває розтягнутий дріт навіть при згині, виникають концентрації напружень. Дріт набухає і стискається після багаторазового термічного циклу (нагрівання до робочої температури та охолодження до температури навколишнього середовища). Розтягнута ділянка вигину піддається циклічним механічним навантаженням, викликаючи втомне руйнування. Провід, який міг би прослужити роками в прямій конструкції, може вийти з ладу через кілька місяців при сильному згині.

Проблема зчеплення та контакту між витками
У спіральних дротяних нагрівальних елементах щільний вигин на внутрішній стороні кривої може стискати котушку, викликаючи контакт сусідніх витків. Якщо витки торкаються, електричний струм може перескочити через заплановану спіраль, таким чином зменшуючи активну довжину дроту в цій області. Це зменшує місцевий опір (проти ефекту розтягнутого-дроту) – але спричиняє іншу складність – перевантаження струму та нерівномірний розподіл тепла. Точка контакту може викликати дугу або локально нагріватися, знову утворюючи гарячу точку.

Насправді вимірювання електричного опору на клемах нагрівача спочатку можуть показувати нормальні значення. У мультиметрі весь опір дроту знаходиться в межах специфікації, тому невелика гаряча точка не може бути виявлена. У багатьох випадках несправність трапляється після періоду роботи, іноді сотні годин, іноді лише кілька днів, коли гаряча точка остаточно розплавляється через дріт, або пошкоджений PTFE допускає коротке замикання на землю.

Внутрішня цілісність дроту після випробування на вигин
Оболонка з PTFE не є прозорою, тому внутрішній дріт неможливо візуально перевірити. Виробники,-які дбають про якість, використовують рентгенівський огляд, щоб проаналізувати розташування проводів у готовому зігнутому нагрівачі. Рентгенівський знімок показує:

Рівномірний відстань між витками котушки (без групування або поділу)

Без перегинів, сильних вигинів і потоншення дроту

Повторюваність положення дроту відносно центральної лінії оболонки

Добре сформований згин зберіг оригінальну геометрію дроту завдяки згину на оправці з нагріванням і відпалу після згину. Дріт із зовнішнього боку вигину не перевищує межі пружності, а дріт з внутрішньої сторони не деформується. Відстань між проводами рівномірна, що сприяє рівномірному нагріванню по всій довжині нагрівача.

Як термічний цикл погіршує невеликі пошкодження від вигинів
Трохи перетягнутий нагрівач зігнутий може витримати початкове-увімкнення живлення та навіть кілька днів безперервної роботи. Однак термічний цикл (нагрівання та охолодження) збільшує шкоду двома способами:

Диференціальне розширення - Дріт і оболонка з ПТФЕ мають різні коефіцієнти теплового розширення. Кожен цикл створює напруги зсуву в контакті оболонки дроту, локалізовані на згині, де дріт уже напружений.

Поступове окислення - Коли кожна гаряча точка досягає високої температури, на дроті утворюється невеликий шар оксиду. Цей шар оксиду менш провідний і більш крихкий. Згодом дріт стає настільки тонким і окислюється, що розривається.

З польового досвіду ми виявили, що якщо зігнути нагрівач до радіусу, що перевищує зовнішній вигляд у 5-6 разів, він зазвичай вийде з ладу через 3-12 місяців за нормальних умов циклу, тоді як ідентичний нагрівач із відповідними вигинами прослужить 5 або більше років.

Висновок: електрична надійність – це механічна точність
Довгострокова електрична надійність заснована на захисті дроту внутрішнього опору від перенапруження під час згинання. Тугий згин призведе до скручування або скупчення дроту, викликаючи локалізовані гарячі плями, які сприяють окисленню, пошкоджують оболонку з ПТФЕ та призводять до передчасного вигорання. Початкові електричні випробування можна пройти, але приховані пошкодження незмінно проявляються під час експлуатації.

Це розуміння веде до більш загального висновку, що якість нагрівача є поєднанням механічної точності та електричних характеристик. Згинання-нагрітої оправки,-відпал-після згину та рентгенівська перевірка-не напружуються та використовують ті самі виробничі процедури, які зберігають цілісність дроту внутрішнього опору. Вказати мінімальний радіус вигину недостатньо для захисту дроту, запобігання утворенню гарячих точок і забезпечення тривалого терміну служби, якого потребують промислові застосування.