Οι διεργασίες υψηλού κενού (πίεση < 0,01 bar απόλυτη) δημιουργούν μια μεγάλη διαφορά πίεσης στο περίβλημα PFA: 1 bar εξωτερική ατμοσφαιρική πίεση ωθείται προς τα μέσα, με σχεδόν-κενό μέσα στη δεξαμενή. Για έναν τυπικό θερμαντήρα PFA, το εσωτερικό δακτυλιοειδές διάκενο μεταξύ του μεταλλικού πυρήνα και της θήκης PFA βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση (1 bar) επειδή δεν είναι σφραγισμένο από το περιβάλλον. Κατά τη λειτουργία υπό κενό, το περίβλημα δέχεται μια καθαρή προς τα μέσα πίεση περίπου 0,99 bar. Η προκύπτουσα τάση στεφάνης είναι θλιπτική, όχι εφελκυστική. Το PFA είναι ισχυρότερο στη συμπίεση από την τάση, αλλά η κύρια λειτουργία αστοχίας είναι ο λυγισμός ή η κατάρρευση του λεπτού τοιχώματος-σωλήνα. Για έναν σωλήνα PFA τοιχώματος 25 mm OD, 2 mm, η κρίσιμη εξωτερική πίεση για κατάρρευση είναι περίπου 2–3 bar. Ένα διαφορικό 1 bar είναι κάτω από αυτό, επομένως η κατάρρευση δεν συμβαίνει σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, σε υψηλές θερμοκρασίες (80–150 μοίρες), το μέτρο του PFA πέφτει κατά 50–70%, και η κρίσιμη πίεση κατάρρευσης μπορεί να πέσει κάτω από 1 bar. Ένας-σχεδιασμός με αντιστάθμιση πίεσης-όπου το εσωτερικό δακτυλιοειδές διάκενο συμπιέζεται με ξηρό άζωτο για να ταιριάζει με το εξωτερικό κενό-αποτρέπει την κατάρρευση. Αυτός ο σχεδιασμός συνιστάται για διεργασίες κενού άνω των 80 μοιρών.
Μηχανισμός κατάρρευσης και κρίσιμη πίεση
Η κρίσιμη εξωτερική πίεση για έναν σωλήνα με λεπτά-τοιχώματα δίνεται από το P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, όπου E είναι το μέτρο του Young, το ν είναι ο λόγος Poisson (0,45 για το PFA), το t είναι η διάμετρος του τοιχώματος και το D είναι το me. Σε 20 μοίρες, E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1.200 / 0,7975) × 0,7970 × × (0.7975) 0.000658=0.99 γραμμή. Στους 20 βαθμούς, η κρίσιμη πίεση είναι περίπου 1 bar-οριακή. Οποιαδήποτε ατέλεια τη μειώνει. Στους 100 βαθμούς, το E πέφτει στα 250 MPa. P_crit=(2 × 250 / 0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 γραμμή. Ένας τυπικός σωλήνας PFA στις 100 μοίρες καταρρέει υπό κενό 0,41 bar διαφορικό. Εφόσον η πραγματική διαφορά είναι 0,99 bar, η κατάρρευση είναι βέβαιη. Απόδειξη πεδίου: Οι θερμαντήρες PFA σε διεργασίες κενού στους 80–120 μοίρες συχνά εμφανίζουν αναδιπλωμένα περιβλήματα-το PFA είναι πεπλατυσμένο στον μεταλλικό πυρήνα, μερικές φορές με περιφερειακές ρυτίδες. Η κατάρρευση δεν προκαλεί αμέσως ηλεκτρική βλάβη, αλλά δημιουργεί υψηλή υπολειμματική τάση και μπορεί να σπάσει το PFA κατά τη διάρκεια του επακόλουθου θερμικού κύκλου.
Πίεση-Σχεδίαση με αντιστάθμιση
Ένας θερμαντήρας PFA με αντιστάθμιση πίεσης-έχει ένα σφραγισμένο δακτυλιοειδές κενό μεταξύ του μεταλλικού πυρήνα και της θήκης PFA. Κατά τη διάρκεια της κατασκευής, το κενό εκκενώνεται και συμπληρώνεται με ξηρό άζωτο σε πίεση 0,5–1,0 bar απόλυτη. Ένας μικρός ρυθμιστής πίεσης ή μια-σφράγιση μιας φοράς (π.χ. πτυχωμένος μεταλλικός σωλήνας) διατηρεί την εσωτερική πίεση. Όταν ο θερμαντήρας τοποθετείται σε θάλαμο κενού (π.χ. 0,01 bar), η εσωτερική πίεση (ας πούμε 0,8 bar) δημιουργεί μια διαφορά μόνο 0,79 bar προς τα έξω (από μέσα προς τα έξω), όχι προς τα μέσα. Το περίβλημα PFA υφίσταται τάση εφελκυσμού στεφάνης, όχι συμπίεση. Η τάση εφελκυσμού δεν προκαλεί κατάρρευση. Η κρίσιμη προς τα έξω πίεση για ρήξη είναι πολύ μεγαλύτερη (10–20 bar). Ο θερμαντήρας παραμένει σταθερός.
Ο σχεδιασμός με αντιστάθμιση πίεσης-έχει δύο προκλήσεις: (1) Η στεγανοποίηση πρέπει να διατηρείται καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα, συμπεριλαμβανομένης της θερμικής κυκλοποίησης. Οι σφραγίδες από μέταλλο-σε-PFA (εξαρτήματα συμπίεσης) τείνουν να παρουσιάζουν διαρροή με την πάροδο του χρόνου. Ένα συγκολλημένο μεταλλικό σφράγισμα φυσητήρων ή ένα σφράγισμα από γυαλί-σε-μεταλλικό είναι πιο αξιόπιστο. (2) Η εσωτερική πίεση αυξάνεται με τη θερμοκρασία (PV=nRT). Ένας θερμαντήρας γεμάτος στα 0,8 bar στους 20 βαθμούς θα φτάσει τα 1,2 bar στους 150 βαθμούς. Το PFA πρέπει να αντέχει αυτή την πρόσθετη πίεση στεφάνης. Για τοίχο 2 mm, OD 25 mm, εσωτερική πίεση 1,2 bar δίνει τάση στεφάνης=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-αμελητέα.
Σύγκριση πρόληψης κατάρρευσης
| Σχεδιασμός θερμαντήρα | Εσωτερική πίεση διάκενου (bar abs) | Εξωτερική ηλεκτρική σκούπα (bar abs) | Καθαρή διαφορά (μπάρα) | Κατεύθυνση | Κατάρρευση στους 20 βαθμούς; | Κατάρρευση στις 100 μοίρες; | Κατάλληλο για Υψηλό Κενό; |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Τυπικό (αεριζόμενο) | 1.0 | 0.01 | 0,99 προς τα μέσα | Συμπιεστικός | Όχι (οριακό) | Ναι (σύμπτυξη) | Όχι (πάνω από 50 μοίρες) |
| Στάνταρ (αεριζόμενο) με παχύ τοίχωμα (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 προς τα μέσα | Συμπιεστικός | Οχι | Όχι (P_crit=1.4 bar στις 100 μοίρες ) | Ναι, αλλά βαριά και κακή μεταφορά θερμότητας |
| Αντιστάθμιση πίεσης-(σφραγισμένη, πλήρωση 0,5 bar) | 0.5 | 0.01 | 0,49 προς τα έξω | Εντάσεως | Οχι | Οχι | Ναι (όλες οι θερμοκρασίες) |
| Αντιστάθμιση πίεσης-(σφραγισμένη, πλήρωση 0,8 bar) | 0.8 | 0.01 | 0,79 προς τα έξω | Εντάσεως | Οχι | Οχι | Ναι (τυπική σχεδίαση) |
| Η πίεση-αντισταθμίζεται με αναφορά κενού | 1.0 (ρυθμίζεται για να ταιριάζει με το εξωτερικό) | 0.01 | 0 (ισορροπημένο) | Κανένας | Οχι | Οχι | Ιδανικό (σύνθετο) |
| Διπλό-τοίχωμα (PFA πάνω από μεταλλικό πυρήνα, χωρίς κενό) | N/A (χωρίς κενό) | N/A | N/A | N/A | Οχι | Οχι | Ναι (πυρήνας υποστηρίζει PFA) |
Οδηγίες εφαρμογής για διεργασίες κενού
Για διεργασίες κενού κάτω από 50 μοίρες, ένας τυπικός θερμαντήρας PFA (τοίχωμα 2 mm) είναι αποδεκτός επειδή το E παραμένει υψηλό (≈ 500 MPa) και το P_crit ≈ 0,8 bar-ακόμα κάτω από το διαφορικό των 0,99 bar; Στην πραγματικότητα 0,8 < 0,99, επομένως η κατάρρευση είναι ακόμα δυνατή. Το περιθώριο είναι μικρό. Για αξιοπιστία, χρησιμοποιήστε πίεση{11}}που αντισταθμίζεται για τυχόν κενό κάτω από 0,1 bar.
Για διεργασίες κενού άνω των 50 μοιρών, απαιτείται θερμαντήρας με αντιστάθμιση πίεσης-. Χωρίς αποζημίωση, η κατάρρευση είναι βέβαιη εντός ωρών ή ημερών. Συμπτώματα κατάρρευσης: (1) Ο θερμαντήρας αισθάνεται επίπεδος ή έχει ζάρες. (2) Η αντίσταση μόνωσης πέφτει καθώς το PFA σπάει. (3) Ο θερμαντήρας αντλεί υψηλότερο ρεύμα (μειωμένη διατομή πυρήνα-; Απίθανο). Αντικαταστήστε αμέσως τις θερμάστρες που έχουν πέσει.
Για διεργασίες κενού άνω των 150 μοιρών, ακόμη και το PFA με αντιστάθμιση πίεσης-μπορεί να μην επαρκεί λόγω ερπυσμού. Στις 150 μοίρες , E=150 MPa, το PFA μπορεί ακόμα να υποστηρίξει την πίεση προς τα έξω, αλλά ο ερπυσμός με την πάροδο του χρόνου μπορεί να προκαλέσει τη δημιουργία μπαλονιού στο περίβλημα. Χρησιμοποιήστε ένα σχέδιο διπλού-τοιχώματος όπου το PFA υποστηρίζεται από έναν διάτρητο μεταλλικό σωλήνα. Ο μεταλλικός σωλήνας φέρει το φορτίο πίεσης. το PFA παρέχει χημική αντοχή.
Παράδειγμα πεδίου
Ένας θάλαμος ξήρανσης κενού ημιαγωγού που λειτουργεί σε 120 μοίρες, 0,01 bar. Οι τυπικοί θερμαντήρες PFA κατέρρευσαν μέσα σε 2 μήνες, εμφανίζοντας ζαρωμένα περιβλήματα. Το εργοστάσιο άλλαξε σε θερμαντήρες-με αντιστάθμιση πίεσης (0,8 bar εσωτερικό άζωτο, σφραγισμένο). Οι θερμάστρες λειτουργούν για 3 χρόνια χωρίς κατάρρευση. Το πρόσθετο κόστος (ασφάλιστρο 30%) ανακτήθηκε εντός 6 μηνών μέσω του εξαλειφθέντος χρόνου διακοπής λειτουργίας.
Συμπέρασμα: Η αντιστάθμιση πίεσης αποτρέπει την κατάρρευση σε υψηλό-κενό
Οι τυπικοί θερμαντήρες PFA καταρρέουν υπό υψηλό κενό σε θερμοκρασίες άνω των 50 μοιρών, επειδή το μέτρο του PFA πέφτει, μειώνοντας την κρίσιμη εξωτερική πίεση κάτω από το διαφορικό 1 bar. Σχέδια με αντιστάθμιση πίεσης-όπου το εσωτερικό δακτυλιοειδές διάκενο σφραγίζεται και συμπιέζεται με ξηρό άζωτο στα 0,5–0,8 bar-αποτρέπουν την κατάρρευση δημιουργώντας μια μικρή διαφορά πίεσης προς τα έξω (τάση στεφάνης εφελκυσμού) αντί προς τα μέσα (συμπιεστική). Για οποιαδήποτε διεργασία κενού κάτω από το απόλυτο 0,1 bar και πάνω από 50 μοίρες , καθορίστε τους θερμαντήρες PFA με αντιστάθμιση πίεσης{11}. Για θερμοκρασίες άνω των 150 βαθμών, χρησιμοποιήστε PFA με διπλό-μεταλλικό τοίχωμα-. Μην κινδυνεύετε να καταρρεύσετε. Μια κατεστραμμένη θερμάστρα είναι μια αποτυχημένη θερμάστρα. Αντισταθμίστε την πίεση, διαφορετικά το κενό θα καταρρεύσει τη θερμάστρα σας. Επιλέξτε αποζημίωση.
