टाइटेनियम शीथ हीटर के लिए पावर मॉड्यूलेशन की आवृत्ति (पल्स -1 हर्ट्ज बनाम . 100 हर्ट्ज पर चौड़ाई मॉड्यूलेशन) प्रतिरोध तार और ट्यूब के थर्मोमैकेनिकल थकान जीवन को कैसे बदल देती है?

इलेक्ट्रिक टाइटेनियम शीथ हीटर में तापमान आमतौर पर बिजली के पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम) के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है। पीडब्लूएम सिग्नल की आवृत्ति हीटर के चालू/बंद चक्र की गति को प्रभावित करती है। कम आवृत्ति (1 हर्ट्ज) पर प्रत्येक चक्र प्रतिरोध तार और टाइटेनियम शीथ में 10 - 30 डिग्री के बड़े तापमान परिवर्तन को प्रेरित करता है। उच्च आवृत्ति (100 हर्ट्ज) पर हीटर का थर्मल द्रव्यमान दालों को सुचारू कर देता है ताकि तापमान में केवल 1-5 डिग्री का अंतर हो। इस तरह के तापमान परिवर्तन आंतरिक प्रतिरोध तार, जो आम तौर पर निकल-क्रोमियम मिश्र धातु से बने होते हैं, और टाइटेनियम शीथ दोनों में चक्रीय थर्मल तनाव उत्पन्न करते हैं। 100 हर्ट्ज (बनाम 1 हर्ट्ज) पर प्रत्येक चक्र में तनाव आयाम में कमी से थर्मोमैकेनिकल थकान जीवन 5-10 गुना बढ़ जाता है।

पावर मॉड्यूलेशन द्वारा प्रेरित थर्मोमैकेनिकल थकान तंत्र

जब इसे चालू किया जाता है, तो प्रतिरोध तार गर्म हो जाता है और खिंच जाता है। यह विस्तार आसपास के मैग्नीशियम ऑक्साइड इन्सुलेटर और टाइटेनियम शीथ पर दबाव का कारण बनता है। प्रत्येक पावर ऑफ चक्र में शीतलन और संकुचन प्राप्त होता है। तनाव का आयाम, ($\\Delta\\sigma$) तापमान परिवर्तन से संबंधित है, ($\\Delta$T) तापीय विस्तार के गुणांक का गुना। NiCr तार के लिए एक=14 x 10-6/डिग्री। टाइटेनियम के लिए ए=8.6 x 10-6/डिग्री। 30 डिग्री तापमान के उतार-चढ़ाव के साथ 1 हर्ट्ज मॉड्यूलेशन पर, NiCr तार का चक्रीय तनाव ~0.04% है, जो लाखों चक्रों में कम चक्र थकान उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है। 100 हर्ट्ज मॉड्यूलेशन पर 5 डिग्री स्विंग के साथ, तनाव केवल 0.007% है जो दोनों सामग्रियों के लिए थकान सीमा से नीचे है और लगभग असीमित जीवन देता है।

मात्रात्मक थकान जीवन की पीडब्लूएम आवृत्ति निर्भरता

विभिन्न पीडब्लूएम आवृत्तियों पर 15 डब्ल्यू/सेमी 2 पावर घनत्व पर एनआईसीआर प्रतिरोध तारों के साथ ग्रेड 2 टाइटेनियम शीथ हीटर का थकान जीवनकाल, नियंत्रित परीक्षणों के आधार पर नीचे दिया गया है। लगातार संचालन करते समय (कोई मॉड्यूलेशन, बेसलाइन नहीं), प्रतिरोध तार का जीवन टाइटेनियम शीथ के थर्मल घिसाव के बिना, 100,000 घंटे से अधिक हो जाता है। प्रतिरोध तार का जीवन 0.1 हर्ट्ज पीडब्लूएम (प्रत्येक 10 सेकंड में 1 चक्र) और 40 डिग्री स्विंग के साथ 2,000-5,000 घंटे है; टाइटेनियम शीथ में 10,000-20,000 चक्रों के बाद दरारें विकसित हो जाती हैं। 30 डिग्री स्विंग के साथ 1 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर प्रतिरोध तार का जीवन 5,000-15,000 घंटे है और 20,000-50,000 चक्रों के बाद टाइटेनियम शीथ फ्रैक्चर . 20, 15 डिग्री स्विंग के साथ 10 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर प्रतिरोध तार का जीवन। 100,000 चक्रों के भीतर टाइटेनियम शीथ में कोई दरार नहीं। 5 डिग्री स्विंग के साथ 100 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर प्रतिरोध तार का जीवन> 100,000 घंटे है और टाइटेनियम शीथ में कोई थर्मल तनाव नहीं है। 1,000 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर, तापमान भिन्नता 2 डिग्री से कम है और प्रदर्शन निरंतर संचालन के समान है।

बिजली घनत्व और हीटर ज्यामिति प्रभाव के प्रति पीडब्लूएम संवेदनशीलता

पीडब्लूएम आवृत्ति का प्रभाव हीटर के तापीय द्रव्यमान और शक्ति घनत्व पर निर्भर है। 5 डब्ल्यू/सेमी² की कम बिजली घनत्व पर, किसी भी आवृत्ति के लिए तापमान में उतार-चढ़ाव कम होता है, इसलिए 1 हर्ट्ज पीडब्लूएम सिग्नल केवल 10 डिग्री तक उतार-चढ़ाव करेगा और तार का जीवन 20,000-50,000 घंटे होगा। उच्च शक्ति घनत्व (25 डब्लू/सेमी2) पर 1 हर्ट्ज पीडब्लूएम सिग्नल के परिणामस्वरूप 50 डिग्री स्विंग होती है और तार का जीवन 1,000 - 3,000 घंटे तक कम हो जाता है। एक पतली दीवार वाली ट्यूब (0.9 मिमी) का तापीय द्रव्यमान कम होता है और तापमान भिन्नता बड़ी होती है। मोटी दीवार वाली ट्यूब (2.0 मिमी) के लिए तापीय द्रव्यमान अधिक होता है और तापमान में उतार-चढ़ाव 30-50% कम हो जाता है। एक लंबे हीटर (2 मीटर) के लिए थर्मल द्रव्यमान सिरों पर तापमान भिन्नता को भी कम कर देता है।

टाइटेनियम शीथ हीटर पीडब्लूएम फ़्रीक्वेंसी चयन गाइड - -

निम्न तालिका बिजली घनत्व, अपेक्षित हीटर जीवन और तापमान नियंत्रण आवश्यकताओं के आधार पर पीडब्लूएम आवृत्ति के लिए सुझाव दिखाती है।

पावर घनत्व (डब्ल्यू/सेमी²) लक्ष्य हीटर जीवनकाल (घंटे) तापमान नियंत्रण सटीकता (± डिग्री) अनुशंसित पीडब्लूएम आवृत्ति (हर्ट्ज) अपेक्षित तापमान स्विंग (डिग्री)<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 कोई भी 1,000+<2 Beyond PWM Frequency Selection Engineering

टाइटेनियम ग्रेड प्रतिरोध तार के थर्मल थकान प्रतिरोध को प्रभावित नहीं करता है, जबकि ग्रेड 7 टाइटेनियम में ग्रेड 2 के समान थर्मल विस्तार होता है। प्रतिरोध तार सामग्री का थकान जीवन पर बड़ा प्रभाव पड़ता है। NiCr 80/20 तार में FeCrAl तार की तुलना में अधिक तापीय थकान प्रतिरोध होता है। मैग्नेशिया इन्सुलेशन की गुणवत्ता महत्वपूर्ण है, साथ ही कॉम्पैक्ट एमजीओ बेहतर गर्मी परिवहन करता है, जिससे तार और म्यान के बीच तापमान का अंतर कम हो जाता है। थर्मल तनाव को और कम करने के लिए सॉफ्ट स्टार्ट पावर रेगुलेशन (पूर्ण ऑन {8} ऑफ पल्स के बजाय क्रमिक पावर वृद्धि) के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। जहां अनुप्रयोग में सटीक तापमान नियंत्रण की आवश्यकता होती है, वहां उच्च पीडब्लूएम आवृत्ति (100 से 1000 हर्ट्ज) हमेशा वांछनीय होती है।

एक अच्छी तरह से जानकारीयुक्त विशिष्टता तैयार करना

Power modulation of a titanium sheath heater with a PWM frequency of 100 Hz or higher is recommended to reduce thermomechanical fatigue. For high power density applications (>20 डब्लू/सेमी2), ऑन-ऑफ मॉड्यूलेशन के बजाय 1,000 हर्ट्ज पीडब्लूएम या फेज़ एंगल कंट्रोलर (स्मूथ पावर कंट्रोल) का उपयोग करें। मौजूदा कम आवृत्ति (1 हर्ट्ज) हीटर के लिए या तो एक स्मूथिंग प्रारंभ करनेवाला स्थापित करें या नियंत्रक को उच्च आवृत्ति पीडब्लूएम में बदलें। यदि ±2 डिग्री का तापमान नियंत्रण परिशुद्धता अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, तो 10 हर्ट्ज की आवृत्ति पर्याप्त थर्मल थकान जीवन प्रदान करेगी। इंजीनियर 1 हर्ट्ज के बजाय 100 हर्ट्ज पीडब्लूएम पर चलता है, इस प्रकार तापमान स्विंग 30 डिग्री से कम होकर 5 डिग्री हो जाता है, जिससे प्रतिरोध तार और टाइटेनियम शीथ की थकान जीवन 5-10 गुना बढ़ जाती है।