Kuidas muudab titaankattega küttekeha võimsuse modulatsiooni sagedus (impulsi-laiuse modulatsioon sagedusel 1 Hz vs . 100 Hz) takistustraadi ja toru termomehaanilist väsimust?
Jäta sõnum
Elektrilistes titaankattega kütteseadmetes juhitakse võimsust tavaliselt impulss{0}}laiusmodulatsiooni (PWM) abil temperatuuri juhtimiseks. Kütteseadme sisse- ja väljalülitamise kiirus määratakse PWM-signaali sagedusega. Madala sagedusega 1 Hz põhjustab iga tsükkel takistustraadis ja titaankestas suure 10-30 kraadise temperatuuri kõikumise. Kõrgsagedusel (100 Hz) silub küttekeha soojusmass impulsse nii, et temperatuurikõikumised on vaid 1-5 kraadi. Temperatuuri kõikumised põhjustavad sisetakistusjuhtmes (tavaliselt nikli-kroomisulamist) ja titaankestas tsüklilisi termilisi pingeid. Termomehaanilise väsimuse eluiga pikeneb sagedusel 100 Hz 5-10 korda 1 Hz suhtes tänu väiksemale pingeamplituudile tsükli kohta.
Termomehaaniline väsimusmehhanism võimsuse modulatsiooni abil
Iga sisselülitatud{0}}tsükkel soojendab takistustraati, põhjustades selle laienemist. Laienemine koormab ümbritsevat magneesiumoksiidi isolatsiooni ja titaankest. Jahutage ja tõmmake kokku igal väljalülitustsüklil-. Pinge amplituud (Δσ) on võrdeline temperatuuri kõikumisega (ΔT), mis on korrutatud soojuspaisumisteguriga. NiCr traadi jaoks=14 × 10⁻⁶ / kraad , titaani jaoks=8.6 × 10⁻⁶ / kraad . NiCr-traat allutatakse 1 Hz modulatsiooni ja 30-kraadise temperatuuri kõikumisele ~0,04% tsüklilisele pingele, mis on piisav, et tekitada mitme miljoni tsükli jooksul väikest -tsüklit. Pingutus on vaid 0,007% 5-kraadise kõikumisega 100 Hz modulatsioonil, mis jääb mõlema materjali väsimuspiiri alla ja annab seega peaaegu piiramatu eluea.
Kvantitatiivne väsimuse eluiga vs PWM sagedus
Controlled tests of the Grade 2 titanium sheath heater with NiCr resistance wires at a power density of 15 W/cm2 have produced the following fatigue lifetimes at various PWM frequencies. The resistance wire has a life of more than 100,000 hours of continuous operation (no modulation, baseline) and the titanium sheath is not affected by thermal fatigue. 2,000-5,000 hours resistance wire life at 0.1Hz PWM (one cycle in 10 sec) with 40°C temperature variation and the titanium sheath splits after 10,000-20,000 cycles. The resistance wire life is 5,000–15,000 hours at 1 Hz PWM with a 30°C swing, while the titanium sheath fractures after 20,000–50,000 cycles. For the resistance wire, longevity is 20,000–50,000 hours at 10 Hz PWM with a 15°C swing, while the titanium sheath exhibits no cracks within 100,000 cycles. At 100Hz PWM with a 5°C swing, the resistance wire life is >100 000 tundi ja titaankesta termilist pinget ei kogeta. Sagedusel 1 kHz PWM on temperatuuri kõikumine < 2 kraadi ja jõudlus on sama, mis pideval tööl.
PWM-i tundlikkuse mõju küttekeha geomeetriale ja võimsustihedusele
PWM sageduse mõju sõltub küttekeha võimsustihedusest ja soojusmassist. Madala võimsustiheduse (5 W/cm²) korral on temperatuurikõikumised igal sagedusel väiksemad, seetõttu annab 1 Hz PWM signaal vaid 10 kraadise pöörde ja juhtme eluiga on 20 000–50 000 tundi. Suure võimsustihedusega 25 W/cm² ja 1 Hz PWM-signaali korral vähendab 50-kraadine kõikumine juhtme eluiga 1000–3000 tunnini. Õhukese seinaga toru (0,9 mm) puhul on soojusmass väiksem ja temperatuurimuutused suuremad. Paksema seinaga toru (2,0 mm) on suurema soojusmassiga ja temperatuurikõikumised vähenevad 30–50%. Pika kerise (2 m) puhul summutab termomass ka otstes olevat temperatuurikõikumist.
Titaankattega küttekehad PWM sageduse valiku juhend.pdf
Järgmine tabel annab soovitusi PWM sageduse kohta vastavalt võimsustihedusele, küttekeha kavandatud kasutuseale ja temperatuuri reguleerimise vajadustele.
Võimsustihedus (W/cm²) Küttekeha soovitud eluiga (tundides) Nõutav juhtimistäpsus (± kraad) Soovitatav PWM-sagedus (Hz) Eeldatav temperatuurikõikumine (kraad)<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 mis tahes 1,000+<2 Engineering Beyond PWM Frequency Selection
Titaani klass ei mõjuta takistustraadi termilist väsimuskindlust, sellegipoolest on 7. klassi titaanil samasugune soojuspaisumine kui klassil 2. Takistustraadi materjal sõltub suuresti väsimuse kestusest. NiCr 80/20 traadil on FeCrAl traadiga võrreldes parem termiline väsimuskindlus. MgO isolatsiooni kvaliteet on samuti oluline, kuna tihendatud MgO kannab soojust paremini üle ning vähendab temperatuuride erinevust traadi ja ümbrise vahel. Pehme-käivituse võimsuse juhtimine (võimsuse järkjärguline suurendamine sisse--väljalülitamise impulsside asemel) aitab termilist stressi veelgi vähendada. Kui soovite täpset temperatuurijuhtimist, on kõrgem PWM-sagedus (100–1000 Hz) alati parem.
Põhjendatud spetsifikatsiooni koostamine
Võimsusmoduleeritud titaankattega küttekehade puhul on termomehaanilise pinge minimeerimiseks soovitatav PWM-sagedus 100 Hz või kõrgem. Rakenduste jaoks, mis nõuavad suurt võimsustihedust (üle 20 W/cm2), kasutage sisse--välja modulatsiooni asemel 1000 Hz impulsi laiuse modulatsiooni (PWM) või faasinurga kontrollerit (sujuv võimsuse juhtimine). Olemasolevate madala sagedusega (1 Hz) kütteseadmete jaoks lisage silumispooli või värskendage kontroller kõrgsageduslikule PWM-ile. Kui temperatuuri reguleerimise täpsus ±2 kraadi on vastuvõetav, on 10 Hz sagedus piisavalt hea, et tagada enamiku rakenduste jaoks piisav termiline väsimus. Insener töötab sagedusel 100 Hz PWM 1 Hz asemel, vähendades temperatuurikõikumisi 30 kraadilt 5 kraadile ning pikendades takistustraadi ja titaankesta väsimuse eluiga 5–10 korda.
