Welke invloed heeft de wanddikte van de 316 roestvrijstalen mantel op het elektrische lekstroompad en de verslechtering van de isolatieweerstand in omgevingen met hoge-vochtigheid?

Inspecteurs op het gebied van elektrische veiligheid en kwaliteitsborgingsingenieurs die werken met elektrische verwarmingselementen in buitentoepassingen, voedselverwerking en farmaceutische productie zijn altijd bezorgd over de verslechtering van de isolatieweerstand bij hoge luchtvochtigheid. De magnesiumoxide-isolatie rond de weerstandsdraad is hygroscopisch, wat betekent dat het vocht uit de lucht opneemt wanneer de verwarmer niet is ingeschakeld en de mantel niet volledig is afgedicht. Opgenomen vocht verlaagt de isolatieweerstand. Hierdoor gaat er lekstroom vloeien, waardoor aardfoutpreventiesystemen kunnen worden uitgeschakeld en in extreme situaties gevaar voor elektrische schokken kan ontstaan. De wanddikte van het omhulselmateriaal van 316 roestvrij staal beïnvloedt zowel de snelheid van het binnendringen van vocht als de elektrische kanaallengte voor lekstroom. Dit artikel evalueert de wanddikte van de mantel, vochtdiffusie en degradatie van de isolatieweerstand en geeft selectiesuggesties voor toepassingen met hoge luchtvochtigheid.

Vochtverspreiding door 316SS-mantels en eindafdichtingen
Waterdamp kan door de mantelwand van het 316 roestvrij staal of door de eindafdichtingen diffunderen waar de weerstandsdraad de mantel verlaat, waardoor de MgO-isolatie wordt doordrongen. De permeabiliteit van roestvrij staal 316 voor waterdamp is zeer laag, maar niet nul. De steady-state waterdamppenetratie door 1,0 mm dik 316 bij 40 graden en 100% relatieve vochtigheid bedraagt ​​ongeveer 0,001 g/m2/dag. Dit zou neerkomen op minder dan 0,4 gram water dat per vierkante meter manteloppervlak in één jaar wordt verspreid, wat verwaarloosbaar is voor normale verwarmingsafmetingen. Het belangrijkste infiltratiemechanisme voor vocht is via microscopisch kleine poriën aan de eindafdichtingen, vooral bij het contact tussen de huls, het MgO en de keramische eindkralen. Voor dunwandige omhulsels van minder dan 1,0 mm maakt de mechanische flexibiliteit van de omhulling de kleine vervorming mogelijk tijdens thermische cycli, waardoor openingen aan de eindafdichtingen worden geopend en gesloten en vochtige lucht in de MgO wordt gepompt. Hun grotere stijfheid verhindert deze pompwerking echter voor dikwandige mantels groter dan 1,8 mm, waardoor de snelheid van het binnendringen van vocht met een factor 5 tot 10 afneemt. De invloed van de wanddikte op het binnendringen van vocht is dus indirect, maar belangrijk: dikkere wanden behouden de integriteit van de eindafdichting beter tijdens thermische cycli.

Wanddikte van de mantel en padlengte van de lekstroom
Zodra vocht de MgO binnendringt, neemt de isolatieweerstand af omdat watermoleculen geleidende kanalen langs het oppervlak van de MgO-korrels creëren. De elektrische lekstroom van de weerstandsdraad naar de geaarde 316-mantel werd radiaal door de MgO-laag geleid. De weerstand van dit pad is R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L) waarbij rho de weerstand is van het vochtige MgO, r2 en r1 de buitenste en binnenste stralen van de MgO-laag zijn en L de verwarmde lengte is. Het vergroten van de wanddikte van de mantel vermindert feitelijk de dikte van de MgO-laag voor een bepaalde buitenmanteldiameter en een vaste diameter van de weerstandsdraad, aangezien de mantel een groter deel van de radiale ruimte in beslag neemt. Een dikkere wand betekent minder MgO tussen draad en omhulsel. Deze kleinere radiale afstand leidt tot een lagere isolatieweerstand bij een gegeven vochtgehalte en verergert daardoor de lekstroomproblemen. Neem bijvoorbeeld een mantel met een buitendiameter van 10 mm en een weerstandsdraad met een diameter van 3 mm. De dikte van de MgO-laag is 10 - 2×1.0 - 3=5 mm, terwijl de wanddikte 1,0 mm is. Bij een wanddikte van 2,0 mm bedraagt ​​de MgO-laagdikte 10 - 4 - 3=3 mm. De dunnere MgO-laag vermindert de radiale isolatieweerstand met ongeveer 40% bij dezelfde MgO-weerstand. Daarom zijn dikwandige mantels kwetsbaarder voor lage isolatieweerstand in het geval van vochtinfiltratie, omdat er minder MgO is dat het lekstroomkanaal blokkeert.

Kritische wanddikte voor de integriteit van de eindafdichting
De volgende tabel geeft voorgestelde 316 mantelwanddiktes voor elektrische dompelverwarmers voor situaties met hoge luchtvochtigheid, afhankelijk van de verwachte thermische cyclusfrequentie en de benodigde isolatieweerstand na langdurige opslag of inactiviteit. Waarden gaan uit van een typische eindafdichtingsconstructie met keramische kralen en epoxy- of siliconenafdichtingen.

Luchtvochtigheid Omgeving Verwacht aantal thermische cycli per jaar Aanbevolen minimum 316 Wanddikte Aanbevolen maximum 316 Wanddikte Verwachte isolatieweerstand na één jaar bij hoge luchtvochtigheid Vochtpenetratie 2. Dominante mechanismen
Incidenteel hoge luchtvochtigheid (minder dan 50% van de tijd)Minder dan 100 0.8 mm 1,6 mm Meer dan 100 megaohm Diffusie van eindafdichting
Constant hoge luchtvochtigheid (80-100% RH)Minder dan 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megohm Diffusie Eindafdichting
Constant hoge luchtvochtigheid met dagelijkse thermische cycli 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megohm Thermisch pompen bij eindafdichtingen
Condensatievochtigheid (frequente spoeling of dauw) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megohm Thermisch pompen en directe ingang
Vochtigheid Compressie Druk WassenElke 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megohm Hermetische afdichting vereist, directe waterinlaat
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1.000 megaohm Warmte verwijdert vocht; geen verslechtering
Een 316-mantel van 1,6 mm of dikker wordt echter geadviseerd voor toepassingen met een continu hoge luchtvochtigheid en frequente temperatuurwisselingen, zelfs als de dikte van de MgO-laag zou worden verlaagd. Het voordeel van de integriteit van de eindafdichting overwint het nadeel van de verminderde lekroutelengte. In dergelijke omstandigheden moeten de technici ook een vochtbestendig eindafdichtingsontwerp specificeren, bijvoorbeeld een hermetische glas-op-metaalafdichting of een dubbele epoxybarrière met een tussenliggende droogkamer.

Ontwerpwijzigingen ter verbetering van de isolatieweerstand van dunne- mantels
In omstandigheden met hoge-vochtigheid waarbij een dun-wandige 316-mantel aanwezig is<1.2 mm is generally employed for thermal response reasons, three design adjustments exist for maintaining insulation resistance. The first is to apply a moisture barrier coating over the whole sheath and end seal assembly. A conformal coating of parylene or silicone, 50 to 100 microns thick, reduces moisture intrusion by a factor of 10 to 50. The second change is the fitting of a low wattage stand-by heater circuit to maintain the sheath temperature at 50-60 deg C when idling. This keeps the MgO heated enough to avoid condensation of moisture and chases off any water that has been absorbed. Normally the power required is 5-10% of the full heater rating. The third change is the addition of a desiccant filled breather vent to the terminal housing. The desiccant takes moisture before it can get to the end seals. A color-indicating desiccant will change colour when saturated, so that it may be seen inspected and replaced in a timely manner. For essential applications where insulation resistance below 1 megohm can pose a safety threat, engineers should design a heater-service-rated ground fault circuit interrupter. If the MgO insulation has decayed, this provides some protection if there is a leakage over 5-30 mA the GFCI trips. When ordering heaters for high humidity locations, always obtain the insulation resistance test results after 48 hours exposure to 95% relative humidity at 40°C. Most industrial uses call for a heater that will hold 10 megohms or higher under these conditions. If the heater is below 1 megohm it may need more sealing or a different wall thickness.