Procesy s vysokým{0}}vakuem (tlak < 0,01 bar absolutní) vytvářejí velký tlakový rozdíl napříč pláštěm PFA: 1 bar vnější atmosférický tlak tlačí dovnitř, s téměř-vakuem uvnitř nádrže. U standardního ohřívače PFA je vnitřní prstencová mezera mezi kovovým jádrem a pláštěm PFA při atmosférickém tlaku (1 bar), protože není utěsněna vůči okolí. Během vakuového provozu je plášť vystaven čistému vnitřnímu tlaku přibližně 0,99 bar. Výsledné obručové napětí je tlakové, nikoli tahové. PFA je silnější v tlaku než v tahu, ale primárním způsobem selhání je vyboulení nebo zborcení tenkostěnné-trubky. Pro trubici PFA o vnějším průměru 25 mm a stěně 2 mm je kritický vnější tlak pro kolaps přibližně 2–3 bary. Rozdíl 1 bar je pod touto hodnotou, takže kolaps při pokojové teplotě nenastane. Při zvýšených teplotách (80–150 stupňů) však modul PFA klesá o 50–70 % a kritický tlak kolapsu může klesnout pod 1 bar. Tlakově-kompenzovaný design-, kde je vnitřní prstencová mezera natlakována suchým dusíkem, aby odpovídala vnějšímu vakuu,-zabraňuje kolapsu. Tato konstrukce se doporučuje pro vakuové procesy nad 80 stupňů.
Mechanismus kolapsu a kritický tlak
Kritický vnější tlak pro tenkostěnnou{0}}trubku je dán vztahem P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, kde E je Youngův modul, ν je Poissonův poměr (0,45 pro PFA), t je tloušťka stěny a D je střední průměr. Při 20 stupních, E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1 200 / 0,7975) × 505³, 705 × 0,08 0.000658=0.99 pruh. Při 20 stupních je kritický tlak přibližně 1 bar-mezní. Jakákoli nedokonalost to snižuje. Při 100 stupních E klesne na 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 pruh. Standardní trubice PFA při 100 stupních se zhroutí pod vakuem rozdílu 0,41 bar. Protože skutečný diferenciál je 0,99 baru, kolaps je jistý. Praktické důkazy: Ohřívače PFA ve vakuových procesech při 80–120 stupních často vykazují zhroucené pláště{50}}PFA je zploštělý proti kovovému jádru, někdy s obvodovými vráskami. Zhroucení nezpůsobí okamžitě elektrické selhání, ale vytváří vysoké zbytkové napětí a může prasknout PFA během následného tepelného cyklování.
Design s kompenzací tlaku-
Ohřívač PFA s kompenzací tlaku má mezi kovovým jádrem a pláštěm PFA utěsněnou prstencovou mezeru. Během výroby je mezera evakuována a zasypána suchým dusíkem na absolutní tlak 0,5–1,0 bar. Malý regulátor tlaku nebo jednorázové{5}}těsnění (např. zvlněná kovová trubka) udržuje vnitřní tlak. Když je ohřívač umístěn ve vakuové komoře (např. 0,01 bar), vnitřní tlak (řekněme 0,8 bar) vytváří rozdíl pouze 0,79 baru směrem ven (zevnitř ven), nikoli dovnitř. Pochva PFA je vystavena namáhání v tahu, nikoli v tlaku. Tahové napětí nezpůsobuje kolaps. Kritický vnější tlak pro prasknutí je mnohem vyšší (10–20 bar). Ohřívač zůstává stabilní.
Konstrukce s kompenzací tlaku- má dva problémy: (1) Těsnění musí být udržováno po celou dobu životnosti ohřívače, včetně tepelného cyklování. Těsnění kov-k-PFA (kompresní armatury) mají tendenci časem unikat. Spolehlivější je svařované kovové vlnovcové těsnění nebo těsnění -na-kov. (2) Vnitřní tlak se zvyšuje s teplotou (PV=nRT). Ohřívač naplněný na 0,8 baru při 20 stupních dosáhne 1,2 baru při 150 stupních. PFA musí tomuto dodatečnému namáhání obruče odolat. U stěny 2 mm, vnějšího průměru 25 mm, vnitřního tlaku 1,2 baru je napětí prstence=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa- zanedbatelné.
Porovnání prevence kolapsu
| Design ohřívače | Vnitřní tlak v mezeře (bar abs) | Externí vakuum (bar abs) | Čistý diferenciál (bar) | Směr | Zhroucení při 20 stupních? | Zhroucení při 100 stupních? | Vhodné pro vysoké vakuum? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Standardní (odvětrávaný) | 1.0 | 0.01 | 0,99 dovnitř | Kompresivní | Ne (mezní) | Ano (sbalit) | Ne (nad 50 stupňů) |
| Standardní (odvětrávaný) se silnou stěnou (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 dovnitř | Kompresivní | Žádný | Ne (P_crit=1.4 sloupec při 100 stupních) | Ano, ale těžký a špatný přenos tepla |
| Tlak-kompenzovaný (utěsněný, plnění 0,5 baru) | 0.5 | 0.01 | 0,49 směrem ven | Tahová | Žádný | Žádný | Ano (všechny teploty) |
| Tlak-kompenzovaný (utěsněný, plnění 0,8 baru) | 0.8 | 0.01 | 0,79 směrem ven | Tahová | Žádný | Žádný | Ano (standardní provedení) |
| Tlak-kompenzovaný referenčním vakuem | 1.0 (regulováno tak, aby odpovídalo externím) | 0.01 | 0 (vyvážený) | Žádný | Žádný | Žádný | Ideální (komplexní) |
| Dvojitá-stěna (PFA přes kovové jádro, bez mezery) | N/A (bez mezery) | N/A | N/A | N/A | Žádný | Žádný | Ano (jádro podporuje PFA) |
Aplikační příručka pro vakuové procesy
Pro vakuové procesy pod 50 stupňů je přijatelný standardní ohřívač PFA (2 mm stěna), protože E zůstává vysoké (≈ 500 MPa) a P_crit ≈ 0,8 bar-je stále pod rozdílem 0,99 baru? Ve skutečnosti 0,8 < 0,99, takže kolaps je stále možný. Okraj je malý. Pro spolehlivost používejte tlak{11}}kompenzovaný pro vakuum pod 0,1 baru.
Pro vakuové procesy nad 50 stupňů je vyžadován tlak{1}}kompenzovaný ohřívač. Bez náhrady je kolaps jistý během hodin nebo dnů. Příznaky kolapsu: (1) Ohřívač je plochý nebo má vrásky; (2) Izolační odpor klesá, když PFA praská; (3) Ohřívač odebírá vyšší proud (průřez jádra -snížený? Nepravděpodobné). Okamžitě vyměňte zhroucené ohřívače.
U vakuových procesů nad 150 stupňů nemusí být ani tlaková-kompenzovaná PFA dostatečná kvůli tečení. Při 150 stupních, E=150 MPa může PFA stále podporovat vnější tlak, ale tečení v průběhu času může způsobit nafouknutí pláště. Použijte konstrukci s dvojitou stěnou, kde je PFA podepřena perforovanou kovovou trubkou. Kovová trubka nese tlakové zatížení; PFA poskytuje chemickou odolnost.
Příklad pole
Polovodičová vakuová sušicí komora pracovala při 120 stupních, 0,01 bar. Standardní ohřívače PFA se zhroutily během 2 měsíců a vykazovaly pomačkané pláště. Závod přešel na tlakově{5}}kompenzované ohřívače (0,8 baru vnitřní dusík, uzavřené). Ohřívače fungovaly 3 roky bez kolapsu. Dodatečné náklady (30% prémie) byly vráceny do 6 měsíců díky eliminaci prostojů.
Závěr: Kompenzace tlaku zabraňuje kolapsu ve vysokém-vakuu
Standardní ohřívače PFA kolabují pod vysokým vakuem při teplotách nad 50 stupňů, protože modul PFA klesá a snižuje kritický vnější tlak pod rozdíl 1 bar. Tlakově-kompenzované konstrukce-, kde je vnitřní prstencová mezera utěsněna a natlakována suchým dusíkem na 0,5–0,8 bar-zabraňuje kolapsu tím, že vytváří malý vnější tlakový rozdíl (napětí v tahu) namísto vnitřního (kompresní). Pro jakýkoli vakuový proces pod 0,1 bar absolutně a nad 50 stupňů specifikujte tlakově -kompenzované ohřívače PFA. Pro teploty nad 150 stupňů použijte PFA s podporou dvou-kovových{15}}stěn. Neriskujte kolaps. Zhroucený ohřívač je vadný ohřívač. Vyrovnejte tlak, nebo podtlak zhroutí váš ohřívač. Vyberte kompenzaci.
