Vad är effekten av en snäv böj på den inre motståndstråden och dess elektriska prestanda?

PTFE-manteln kan se OK ut på utsidan, men om motståndstråden inuti var överbelastad när den böjdes, finns det en het punkt som utvecklas inuti. Böjen är en ofta förekommande plats för tidig utbrändhet, och den grundläggande orsaken är ofta mekaniska skador på tråden, skador som inte kan upptäckas genom någon exteriör inspektion. Att förstå effekten av en PTFE-värmares funktion av en tight böjd intern motståndstråd är grundläggande för alla som specificerar eller installerar formade doppvärmare i krävande industriell verksamhet.

Svar från intern motståndstråd vid böjning
Inuti varje PTFE elpatron finns en metallmotståndstråd. Vanligtvis är legeringen som används en NiCr (nickel krom) legering (Nichrom). Tråden är värmarens fungerande hjärta; när en elektrisk ström går genom den uppstår resistiv uppvärmning. I de flesta utföranden är tråden tvinnad till en perfekt spiralformad spole eller läggs som en rak, homogen tråd genom hela PTFE-manteln.

Därefter böjs värmaren i en viss form. Motståndstråden böjs sedan i samma kurva. Trådens mekaniska respons är en funktion av positionen i förhållande till böjen:

På utsidan av kurvan - Tråden spänns. Om böjradien är tillräckligt stor sträcks tråden elastiskt och återgår till sin ursprungliga längd när böjkraften släpps. Men om böjningen är för skarp går tråden över sin elastiska gräns och får en permanent plastisk distorsion som gör den lokalt tunnare.

Tråden är under kompressionsspänning inuti kröken. Om du böjer den kraftigt, kommer den inre cirkeln av tråden att komprimeras och tråden kommer att buckla/knocka/knipsa. I en spiralformad trådkonstruktion kan på varandra följande varv vidröra varandra eller bli ojämnt fördelade.

De elektriska konsekvenserna: Hotspot och sträckt tråd
Elektriska fel av olika slag uppstår från de snäva böjarna i motståndstråden hos en PTFE-värmare, vilket leder till minskad prestanda och kortare livslängd.

Lokaliserad motståndsökning
När tråden sträcks ut och böjs utåt blir motståndstråden tunnare och tvärsnittsarean minskar. Det elektriska motståndet är omvänt proportionellt mot tvärsnittsarean så att en tunnare sektion har ett större motstånd per längdenhet. Den lokala resistansökningen innebär att för samma ström som går genom hela värmaren producerar det böjda stycket en oproportionerligt större mängd värme (effekt=I2R). Detta bildar en hot spot, en liten del av värmaren där temperaturen är mycket högre än resten av värmaren.

Implikationer för hot spots
En hot spot är ansvarig för ett antal felmekanismer:

Oxidation av motståndstråd - Ju snabbare oxidation av NiCr-legeringen desto högre är temperaturen. Oxidation ökar motståndet ytterligare, vilket skapar en positiv återkopplingsslinga som så småningom kommer att leda till en genomsmältning- eller en öppen krets.

Nedbrytning av det omgivande PTFE-höljet - PTFE kan drivas kontinuerligt vid 110 grader, även om en varm fläck lokalt kan vara över 200 grader eller mer. Vid dessa temperaturer börjar PTFE försämras, förlora dielektrisk styrka och kanske avge korrosiva biprodukter. Vid den överbelastade böjen kan manteln mjukna, deformeras eller spricka.

Utmattning-inducerad trådlivslängd
När den plastiska deformationen inte bryter den sträckta tråden även vid böjning uppstår spänningskoncentrationer. Tråden sväller och drar ihop sig efter upprepad termisk cykling (värm upp till driftstemperatur och kyl tillbaka till omgivningstemperatur). Området av kröken under spänning utsätts för cyklisk mekanisk påkänning, vilket orsakar utmattningsbrott. En tråd som kunde ha överlevt i åratal i en rak design kan gå sönder på månader vid en snäv böj.

Problemet med klumpar och kontakt mellan varven
I värmeelement med lindade trådar kan den snäva böjningen på insidan av kurvan komprimera spolen vilket gör att närliggande varv kommer i kontakt. Om varven berör varandra kan den elektriska strömmen hoppa över den avsedda spiralen, vilket minskar den aktiva längden på tråden i det området. Detta minskar det lokala motståndet (mot den sträckta-trådeffekten) – men orsakar en annan svårighet – strömstockning och ojämn värmefördelning. Kontaktpunkten kan båga eller värmas lokalt och återigen bilda en het punkt.

I verkligheten kunde de elektriska resistansmätningarna vid värmarterminalerna indikera normala värden till en början. I en multimeter är hela trådens motstånd inom specifikationen, så en liten hot spot kan inte detekteras. I många fall inträffar felet efter en period av drift, ibland hundratals timmar, ibland bara några dagar, när den heta punkten slutligen smälter igenom tråden, eller den komprometterade PTFE tillåter en kortslutning till jord.

Intern trådintegritet efter böjningstestning
PTFE-manteln är inte genomskinlig, därför kan den inre tråden inte inspekteras visuellt. Kvalitets-medvetna tillverkare använder röntgeninspektion för att analysera trådlayouten i en färdig böjd värmare. En -röntgenbild visar:

Jämnt avstånd mellan spolvarv (ingen hophopning eller separation)

Inga veck, kraftiga böjningar eller förtunning av tråden

Repeterbarhet av trådposition i förhållande till mantelns mittlinje

En välformad böj bibehöll den ursprungliga trådgeometrin via uppvärmd dornböjning och efter-böjglödgning. Tråden på utsidan av böjen belastas inte över elasticitetsgränsen och tråden på insidan bucklas inte. Trådavståndet är enhetligt vilket hjälper till att främja jämn värme över hela värmarens längd.

Hur termisk cykling gör små böjskador värre
En något för hårt åtdragen värmare som är böjd kan motstå initial uppstart-och till och med flera dagars kontinuerlig drift. Termisk cykling (uppvärmning och kylning) ökar dock skadorna på två sätt:

Differentiell expansion - Tråden och PTFE-manteln har distinkta termiska expansionskoefficienter. Varje cykel genererar skjuvspänningar vid trådens-mantelkontakt, lokaliserad vid kröken där tråden redan är påfrest.

Progressiv oxidation - När varje hot spot uppnår en hög temperatur skapas en liten beläggning av oxid på tråden. Detta oxidskikt är mindre ledande och mer skört. Så småningom blir tråden så tunn och oxiderad att den går sönder.

Vi har funnit från fälterfarenhet att om du böjer en värmare till mindre än 5 till 6 gånger OD-radien kommer den vanligtvis att misslyckas inom 3 till 12 månader under normala cykelförhållanden, medan en identisk värmare med tillräckliga böjar kommer att hålla i 5 eller fler år.

Slutsats: Elektrisk tillförlitlighet är mekanisk noggrannhet
Den långsiktiga elektriska tillförlitligheten är baserad på att skydda den interna motståndstråden från överbelastning under böjning. En snäv böj kommer att vrida eller klumpa ihop tråden och orsaka lokala varma fläckar som främjar oxidation, skadar PTFE-höljet och leder till för tidig utbrändhet. Inledande elektriska tester kan vara godkända men den dolda skadan visar sig alltid under drift.

Denna förståelse leder till en mer allmän slutsats, att värmarens kvalitet är en kombination av mekanisk noggrannhet och elektrisk prestanda. Böj-uppvärmd dornböjning, efter-böjglödgning och -röntgenverifiering är spänningsfria- och använder samma produktionsprocedurer som bevarar integriteten hos den interna motståndstråden. Att specificera en minimal böjradie är inte tillräckligt för att skydda tråden, förhindra hot spots och ge den långa livslängd som industriella applikationer kräver.