فرکانس مدولاسیون توان (-مدولاسیون عرض پالس در 1 هرتز در مقابل. 100 هرتز) برای گرمکن غلاف تیتانیومی چگونه عمر خستگی ترمومکانیکی سیم مقاومت و لوله را تغییر میدهد؟
پیام بگذارید
در بخاریهای غلاف تیتانیوم الکتریکی، قدرت اغلب با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کنترل دما تعدیل میشود. فرکانس سیگنال PWM تعیین می کند که بخاری با چه سرعتی روشن و خاموش می شود. در فرکانس پایین (1 هرتز)، هر سیکل باعث نوسان دمایی قابل توجه 10 تا 30 درجه در سیم مقاومت و غلاف تیتانیوم می شود. در فرکانس بالا (100 هرتز)، جرم حرارتی بخاری پالس ها را صاف می کند و در نتیجه نوسانات دما تنها 1 تا 5 درجه است. این نوسانات دما تنش های حرارتی چرخه ای را هم در سیم مقاومت داخلی (معمولاً آلیاژ نیکل{11}کروم) و هم در غلاف تیتانیوم ایجاد می کند. به دلیل کاهش دامنه تنش در هر چرخه، عمر خستگی ترمومکانیکی هنگام کار در 100 هرتز در مقایسه با 1 هرتز به میزان 5 تا 10 افزایش می یابد.
مکانیسم خستگی ترمومکانیکی از مدولاسیون توان
هر چرخه{0}روشن، سیم مقاومت را گرم میکند که منبسط میشود. انبساط بر عایق اکسید منیزیم اطراف و غلاف تیتانیوم فشار وارد می کند. هر چرخه خاموش{3}}به خنک شدن و انقباض اجازه می دهد. دامنه تنش (Δσ) متناسب با نوسان دما (ΔT) برابر ضریب انبساط حرارتی است. برای سیم NiCr،=14 × 10-6 / درجه؛ برای تیتانیوم،=8.6 × 10-6 / درجه. در مدولاسیون 1 هرتز با نوسان دمایی 30 درجه، سیم NiCr تقریباً 0.04 درصد کرنش چرخهای را تجربه میکند که برای ایجاد خستگی کم{14} در طول میلیونها چرخه کافی است. در مدولاسیون 100 هرتز با نوسان 5 درجه، کرنش فقط 0.007٪ است که زیر حد خستگی برای هر دو ماده است و منجر به عمر بی نهایت می شود.
عمر خستگی کمی به عنوان تابعی از فرکانس PWM
آزمایش کنترل شده گرمکن های غلاف تیتانیوم درجه 2 با سیم های مقاومت نیکل با چگالی توان 15 W/cm²، عمر خستگی زیر را برای فرکانس های مختلف PWM ایجاد کرده است. در عملکرد مداوم (بدون مدولاسیون، خط پایه)، عمر سیم مقاومتی بیش از 100000 ساعت است و غلاف تیتانیوم هیچ خستگی حرارتی را نشان نمی دهد. در 0.1 هرتز PWM (هر 10 ثانیه یک چرخه) با نوسان دمایی 40 درجه، طول عمر سیم مقاومتی 2000 تا 5000 ساعت است و غلاف تیتانیوم بعد از 10000 تا 20000 چرخه ترک نشان می دهد. در 1 هرتز PWM با نوسان 30 درجه، طول عمر سیم مقاومتی 5000 تا 15000 ساعت است و غلاف تیتانیوم بعد از 20000 تا 50000 چرخه ترک نشان می دهد. در 10 هرتز PWM با نوسان 15 درجه، طول عمر سیم مقاومتی 20000 تا 50000 ساعت است و غلاف تیتانیوم در 100000 سیکل هیچ ترکی نشان نمیدهد. در 100 هرتز PWM با نوسان 5 درجه، عمر سیم مقاومتی بیش از 100000 ساعت است و غلاف تیتانیوم هیچ خستگی حرارتی را نشان نمی دهد. در 1000 هرتز PWM، نوسان دما زیر 2 درجه است و عملکرد معادل عملکرد مداوم است.
تأثیر چگالی توان و هندسه هیتر بر حساسیت PWM
اثر فرکانس PWM به چگالی توان و جرم حرارتی بخاری بستگی دارد. در چگالی توان کم (5 وات بر سانتیمتر مربع)، نوسانات دما برای هر فرکانس معین کوچکتر است، بنابراین یک سیگنال PWM 1 هرتز تنها یک نوسان 10 درجه ایجاد میکند و عمر سیم 20000 تا 50000 ساعت است. در چگالی توان بالا (25 وات بر سانتیمتر مربع)، یک سیگنال PWM 1 هرتز یک نوسان 50 درجه ایجاد میکند و عمر سیم را به 1000 تا 3000 ساعت کاهش میدهد. برای یک لوله دیوار نازک{17} (0.9 میلی متر)، جرم حرارتی کمتر است و نوسانات دما بزرگتر هستند. برای یک لوله دیوار ضخیم (2.0 میلی متر)، جرم حرارتی بیشتر است و نوسانات دما 30 تا 50٪ کاهش می یابد. برای یک بخاری طولانی (2 متر)، جرم حرارتی نوسان دما را در انتها کاهش می دهد.
راهنمای انتخاب فرکانس PWM برای هیترهای غلاف تیتانیوم
جدول زیر توصیه هایی را برای فرکانس PWM بر اساس چگالی توان، عمر گرم کن مورد نظر و الزامات کنترل دما ارائه می دهد.
| چگالی توان (W/cm²) | عمر مطلوب بخاری (ساعت) | دقت کنترل دمای مورد نیاز (± درجه) | فرکانس PWM توصیه شده (هرتز) | نوسان دمای مورد انتظار (درجه) |
|---|---|---|---|---|
| <10 | >50,000 | 2 | 1 | 10–15 |
| <10 | >50,000 | 0.5 | 100 | 2–5 |
| 10–20 | >50,000 | 2 | 10 | 8–12 |
| 10–20 | >50,000 | 0.5 | 1,000 | 1–3 |
| 20–30 | >20,000 | 2 | 100 | 3–6 |
| 20–30 | >50,000 | 1 | 1,000 | 1–2 |
| >30 | >10,000 | هر | 1,000+ | <2 |
مهندسی فراتر از انتخاب فرکانس PWM
درجه تیتانیوم بر مقاومت خستگی حرارتی سیم مقاومت تأثیر نمی گذارد، اما تیتانیوم درجه 7 دارای انبساط حرارتی مشابه با درجه 2 است. مواد سیم مقاومت به طور قابل توجهی بر عمر خستگی تأثیر می گذارد. سیم NiCr 80/20 مقاومت خستگی حرارتی بهتری نسبت به سیم FeCrAl دارد. کیفیت عایق اکسید منیزیم اهمیت دارد. MgO به خوبی فشرده-گرما را بهتر منتقل میکند و اختلاف دما بین سیم و غلاف را کاهش میدهد. کنترل قدرت استارت نرم (افزایش تدریجی توان به جای پالسهای خاموش کامل{{8}) میتواند تنش حرارتی را بیشتر کاهش دهد. برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق دما دارند، فرکانس PWM بالاتر (100-1000 هرتز) همیشه ترجیح داده می شود.
ساخت مشخصات آگاهانه
برای یک هیتر غلاف تیتانیومی با مدولاسیون توان، فرکانس PWM 100 هرتز یا بالاتر را مشخص کنید تا خستگی حرارتی مکانیکی به حداقل برسد. برای برنامه های کاربردی با تراکم بالا-قدرت-بالاتر از 20 وات بر سانتی متر مربع، 1000 هرتز PWM را مشخص کنید یا به جای مدولاسیون خاموش- از یک کنترل کننده زاویه- فاز (کنترل برق صاف) استفاده کنید. برای بخاریهای موجود که با فرکانس پایین (1 هرتز) کار میکنند، یک سلف صافکننده اضافه کنید یا کنترلکننده را به{11}PWM فرکانس بالا تغییر دهید. اگر دقت کنترل دما ± 2 درجه قابل قبول باشد، فرکانس 10 هرتز عمر خستگی حرارتی کافی را برای اکثر کاربردها فراهم می کند. با کارکردن در 100 هرتز PWM به جای 1 هرتز، مهندس نوسان دما را از 30 درجه به 5 درجه کاهش می دهد و عمر خستگی سیم مقاومت و غلاف تیتانیوم را 5 تا 10 افزایش می دهد.
