アルミナフィラーは PTFE 浸漬ヒーターの熱伝導率をどのように改善しますか?

ある化学プラントでは、2 台の 4 kW PTFE 浸漬ヒーターを同じ稼働状態で比較しました。どちらも同じ電圧とワット密度の定格でした。 1 つは標準的な酸化マグネシウムフィラーを使用しました。もう 1 つはアルミナ-強化フィラーを使用しました。アルミナ-で満たされたヒーターは、同じ出力で8〜12度低いシース温度で動作し、絶縁抵抗が低下するまでの持続時間はほぼ2倍でした。違いは PTFE シースではありませんでした。その中にあったものでした。

浸漬ヒーターの内部充填材には 2 つの目的があります。1 つは抵抗素子を金属シースから電気的に絶縁し、もう 1 つは素子からシースに熱を伝導することです。酸化マグネシウムは、安価で絶縁強度が高く、高温にも耐えられるため、数十年にわたり標準的なフィラーとして使用されてきました。しかし、MgO の熱伝導率-高密度に圧縮された場合の熱伝導率は約 30～40 W/m・K-です。これは入手可能な最高値ではありません。アルミナはより高い伝導率を示し、MgO とブレンドすることで電気絶縁性を犠牲にすることなく熱伝達を改善します。

PTFE ヒーター内の熱経路

抵抗線によって発生した熱は、プロセス流体に到達する前に、MgO またはアルミナ フィラー、内部エレメントの金属シース、PTFE 外側シースの 3 つの層を通過する必要があります。 PTFE 壁は最大の熱障壁ですが、フィラーは測定可能な抵抗に貢献します。

直径 6 mm、フィラー環状部 1.5 mm の一般的な要素の場合、1.2 W/cm2 での MgO 全体の温度降下は約 8 ～ 12 度です。 PTFE 壁を横切る傾斜は 12 ～ 18 度です。対流境界層を横切る落差は 10 ～ 20 度です。合計シース-と-のバルク ギャップ: 30 ～ 50 度。

MgO をアルミナ強化フィラーに置き換えると、フィラーの寄与が 30～50% 減少します。{0}合計ギャップは 3 ～ 6 度減少します。この減少は小さいように思えるかもしれませんが、それは直接シース温度の低下につながります-。シース温度が低いと、浸透が遅くなり、スケールの堆積が遅くなり、耐用年数が長くなります。

フィラーの熱伝導率とシースの温度および耐用年数に対するその影響

なぜアルミナがMgOよりも熱伝導に優れているのか

アルミナ (Al2O3) は、MgO と同様に、純粋な結晶形で 30 ～ 35 W/m・K の熱伝導率を持っています。しかし、発熱体に使用されるフィラーは単結晶ではなく、-圧縮された粉末です。有効熱伝導率は、粒子サイズ、充填密度、粒子間の接触によって異なります。

アルミナ粒子は、MgO 粒子よりも硬く、角が立っています。より高密度に充填され、隣接する粒子間により多くの接触点が作成されます。接触点が増えると、熱が流れる経路が増えることになります。その結果、圧縮されたフィラーの実効熱伝導率が高くなります。

アルミナは、高温での絶縁耐力も MgO より優れています。これにより、絶縁破壊の危険を冒すことなくフィラーをより高密度に圧縮することができ、熱伝導率がさらに向上します。

浸漬ヒーターエレメントのフィラー材料特性の比較

シース温度と耐用年数への影響

シース温度の 5 ～ 10 度の低下はそれほど重要ではないように聞こえるかもしれませんが、耐用年数に不釣り合いな影響を与えます。浸透と化学的攻撃は熱によって活性化されます。シース温度が 10 度低下するごとに、浸透速度はおよそ半分になります。数カ月間の運用で、その削減は耐用年数の大幅な延長につながります。

スケールの堆積に対する影響も同様です。スケールは高温の表面に優先的に形成されます。 8 度クーラーで動作するヒーターは、スケールの蓄積をより遅くし、必要な洗浄の間隔を延ばし、堆積物の下にホットスポットが形成されるリスクを軽減します。

シース温度の低下が浸透、スケール、耐用年数に及ぼす影響

耐湿性と誘電安定性

アルミナ-強化フィラーは、標準的な MgO よりも優れた耐湿性も備えています。 MgO は吸湿性があり、-空気中や PTFE シースに浸透するプロセス流体からの湿気を吸収します。アルミナは湿気の吸収が少なく、湿気の多い環境でも絶縁耐力をよりよく保持します。

これは、シースがプロセス流体と充填剤の間の唯一の障壁である PTFE ヒーターでは特に重要です。フィラーに水分が到達すると絶縁抵抗が低下します。吸湿しにくいフィラーにより高い絶縁抵抗を長時間維持し、地絡トリップまでの時間を延長します。

アルミナ-強化フィラーにコストの価値がある場合

アルミナ-強化フィラーを使用すると、発熱体のコストが 10～20% 増加します。 -耐用年数が長くなり、シース温度が低下する-というメリットにより、ヒーターの交換に費用がかかる、または中断がかかる要求の厳しい用途でのコストが正当化されます。

穏やかな使用条件では、{0}}低温、低粘度、きれいな流体-のメリットは小さくなり、標準の MgO フィラーで十分である可能性があります。積極的な使用においては、-高温、粘性流体、スケール-化学反応を形成する-アルミナ-強化フィラーは目に見える改善をもたらします。

用途別のフィラー選択の推奨事項

フィラーの選択だけでは不十分な場合

フィラーは熱経路の構成要素の 1 つです。最良のフィラーであっても、厚すぎる PTFE シース、高すぎるワット密度、または低すぎる流動条件を補うことはできません。フィラーの改善は段階的に行われます。-シース温度は数十度ではなく、数度低下します。

シース温度が安全範囲をはるかに超える用途では、解決策はワット密度を下げるか、流れを改善するか、表面積を増やすことです。フィラーの選択は改良であり、修正ではありません。

カスタム PTFE 浸漬ヒーター構成は、アルミナ強化フィラーと低ワット密度、高表面積、および改善されたフロー アクセスを組み合わせて、複数のフロント全体でシース温度を低下させます。{0}仕様プロセスでは、浴の化学的性質、動作温度、流量条件、および必要なワット数が必要です。要求の厳しい用途を伴う施設では、この組み合わせにより最長の耐用年数が実現します。