ПФА грејачи у тешким хемијским окружењима понекад су пресвучени танким слојем (0,2–1,0 мм) високо{2}}силиконске гуме за додатну заштиту од корозије или својства против -обраштања. Силиконски слој додаје топлотну отпорност, смањујући укупни пренос топлоте. Мерење ефективне топлотне проводљивости (к_ефф) композитног омотача (ПФА + силикон) је од суштинског значаја за прецизно димензионисање грејача. Стационарни{9}}компаративни метод-мерења пада температуре преко обложеног омотача при познатом топлотном флуксу-је најпрактичнија техника. За типичан премаз (0,5 мм силикон, к ≈ 0,25 В/м·К) преко ПФА (2 мм, к ≈ 0,20 В/м·К), ефективна топлотна проводљивост је 0,21–0,22 В/м·К-само 5–10% нижи од ПФА слоја јер је сам слој силикона танак. Међутим, ако силикон упија воду или набубри, к_ефф може пасти на 0,15–0,18 В/м·К. Редовно мерење-на лицу места коришћењем површинских термопарова се препоручује за обложене грејаче у употреби.
Принцип мерења
Ефективна топлотна проводљивост к_ефф се израчунава из Фуријеовог закона: к_ефф=к × т_тотал / ΔТ, где је к топлотни ток (В/м²), т_тотал укупна дебљина (ПФА + силикон, м), а ΔТ је пад температуре преко композитног слоја (степен). За грејач који ради у устаљеном стању са познатом снагом, к=П / А, где је П електрична снага (В), а А површина грејача (м²), коригована за ефикасност (обично 0,90–0,95). ΔТ се мери причвршћивањем термопарова на спољну површину силикона (Т_оутер) и уграђеним на ПФА-метални интерфејс (Т_иннер) током производње. Алтернативно, користите референтни грејач са познатим к за позадину-израчунавања.
Ин{0}}метод без уграђеног сензора:
Инсталирајте два идентична грејача: један са силиконским премазом, један без (референца).
Оба раде у истој течности при истој снази и протоку.
Измерите спољну температуру оба (Т_цоатед, Т_унцоатед).
За грејач без премаза, израчунајте температуру унутрашње површине ПФА: Т_унутрашња_необложена=Т_необложена + к × (т_ПФА/к_ПФА).
Претпоставимо да је Т_иннер исти за обложени грејач (иста температура језгра).
Затим ΔТ_цоатед=Т_иннер – Т_цоатед. к_ефф=к × (т_ПФА + т_силикон) / ΔТ_цоатед.
Потребна опрема
| Компонента | Спецификација | Сврха |
|---|---|---|
| Термопарови | Тип К, фина жица (0,25 мм), тачност ±0,5 степени | Измерите температуру површине |
| Термална паста | Без -високе проводљивости- силикона (нпр. бор нитрид) | Обезбедите добар контакт термоелемента |
| Мерач снаге | ±1% тачности | Измерите електричну снагу |
| чељусти | ±0,01 мм | Измерите дебљину премаза |
| ИР камера (опционо) | ±2 степена или боље | Потврдите уједначеност температуре површине |
| Дата логгер | Више{0}}канално, узорковање од 1 Хз | Рекорд температуре |
Резултати мерења за уобичајене конфигурације
| ПФА дебљина (мм) | Дебљина силикона (мм) | Тип силикона | к_ПФА (В/м·К) | к_силикон (В/м·К) | Израчунати к_ефф (В/м·К) | Измерени к_ефф (В/м·К) (стабилно-стање) | Грешка (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 0 | N/A | 0.20 | N/A | 0,20 (стварно) | 0,20 (реф) | 0% |
| 2.0 | 0.3 | Опште намене (РТВ) | 0.20 | 0.22 | 0.202 | 0.205 | 1.5% |
| 2.0 | 0.5 | Опште намене | 0.20 | 0.22 | 0.205 | 0.208 | 1.5% |
| 2.0 | 1.0 | Опште намене | 0.20 | 0.22 | 0.209 | 0.215 | 2.9% |
| 2.0 | 0.5 | Топлотно проводљив (пуњен) | 0.20 | 0.60 | 0.228 | 0.230 | 0.9% |
| 1.5 | 0.5 | Опште намене | 0.20 | 0.22 | 0.207 | 0.210 | 1.4% |
| 2.0 | 0.5 | Отечени силикон (апсорпција воде) | 0.20 | 0.12 | 0.171 | 0.168 | 1.8% |
| 2.0 | 0.5 | Стари силикон (200 степени, 1000 сати) | 0.20 | 0.18 | 0.197 | 0.195 | 1.0% |
Анализа: Измерени к_ефф одговара израчунатом серијском моделу отпора: 1/к_ефф=(т_ПФА/к_ПФА + т_силицоне/к_силицоне) / т_тотал. За 2,0 мм ПФА + 0.5 мм силикон (опште намене), 1/к_ефф=(0,002/0.20 + 0.0005/0,22) / 0.0025=(0.01 + 0.00227) / 0.0025=0.01227/0.0025=4.91, дакле к_ефф/{24}} В. Грешка мерења је ±2–3% уз пажљиву технику.
Протокол за мерење корак{0}}по{1}}
За лабораторијско мерење:
Направите пробни узорак: равну плочу или грејач са уграђеним термоелементом на ПФА{0}}металном интерфејсу.
Нанети силиконски премаз измерене дебљине.
Монтирајте узорак у апарат са заштићеном топлом плочом (АСТМ Е1530) или у купатилу са{1}}контролисаном температуром са познатим топлотним током.
Примените познати топлотни ток (10.000–50.000 В/м²).
Забележите стабилне{0}}температуре (унутрашње и спољашње површине).
Израчунајте к_ефф користећи Фуријеов закон.
За{0}}услужно мерење(поље, без уграђеног сензора):
Ensure steady-state operation (no temperature change >0,5 степени током 30 минута).
Измерите температуру спољашње површине обложеног грејача на 3–5 тачака (користите термо-пасту и термоелементе).
Измерите температуру флуида и брзину протока.
Израчунајте топлотни флукс из електричног улаза (мера В, И, фактор снаге).
Процените температуру унутрашње површине помоћу необложеног референтног грејача (или коришћењем података произвођача за температуру језгра у односу на густину у ватима).
Израчунајте к_ефф са процењеним ΔТ.
Практична разматрања за силиконске премазе
Топлотна проводљивост силикона зависи од{0}}температуре и опада са старењем. На 200 степени, к_силицоне може да опадне 20–30% после 1000 сати због унакрсног-повезивања и деградације пунила. Апсорпција воде (0,5–2% по тежини) смањује к_силикона са 0,22 на 0,12–0,15 В/м·К. За грејаче у влажним или кондензованим окружењима, мерите к_ефф квартално.
Ако је измерени к_ефф више од 15% испод пројектоване вредности, размотрите:
Уклањање силиконског премаза (љуштење или скидање растварача) ако није неопходно.
Замена грејача са топлотно проводљивим силиконом (пуњеним Ал₂О₃ или БН, к ≈ 0,6–1,0 В/м·К).
Повећање површине грејача ради компензације смањеног преноса топлоте.
Пример поља
ПФА грејачи обложени хемијским постројењем са 0,7 мм РТВ силиконом за спречавање-обраштања у раствору полимера. Постројење је измерило к_ефф методом референтног грејача и нашло 0,17 В/м·К уместо очекиваних 0,20 В/м·К (15% мање). Смањен к је значио да су грејачи радили 8–10 степени топлије при истој снази, убрзавајући зарастање полимера. Постројење је прешло на топлотно проводљиви силикон (к ≈ 0,65 В/м·К) и измерило је к_ефф=0.235 В/м·К- нешто боље од самог ПФА. Запрљање је смањено, а животни век грејача се удвостручио.
Закључак: Измерени к_ефф унутар ±3% модела серије за танке силиконске премазе
Ефективна топлотна проводљивост ПФА грејача обложеног танким слојем (0,2–1,0 мм) високо-силикона на високим температурама може се прецизно измерити коришћењем компаративних метода у стационарном- стању са површинским термопаровима и референтним грејачем. За силикон опште-намене (к ≈ 0,22 В/м·К) и типичан ПФА (к ≈ 0,20 В/м·К), к_ефф је унутар 5% од к_ПФА за премазе испод 0,5 мм. За дебље премазе или остарели/натечени силикон, к_ефф може пасти за 10–30%, што захтева прилагођавање дизајна. Редовно-мерење на лицу места (квартално или годишње) открива деградацију и даје информације о одржавању. Неколико термопарова и сат времена мерења могу спречити премале грејаче или неочекивано запрљање. Измерите к_ефф, сазнајте прави топлотни отпор и дизајнирајте са поверењем. Премаз може помоћи хемији, али штети преносу топлоте. Квантификујте повреду. Онда одлучи.
