Nei riscaldatori elettrici a guaina in titanio, la potenza viene spesso modulata utilizzando la modulazione di larghezza di impulso (PWM) per controllare la temperatura. La frequenza del segnale PWM determina la rapidità con cui il riscaldatore si accende e si spegne. A bassa frequenza (1 Hz), ogni ciclo provoca un'oscillazione significativa della temperatura di 10–30 gradi nel filo di resistenza e nella guaina in titanio. Ad alta frequenza (100 Hz), la massa termica del riscaldatore attenua gli impulsi, provocando oscillazioni di temperatura di soli 1–5 gradi. Queste oscillazioni di temperatura creano stress termici ciclici sia nel filo di resistenza interno (tipicamente lega di nichel-cromo) che nella guaina di titanio. La durata a fatica termomeccanica aumenta di un fattore 5–10 quando si opera a 100 Hz rispetto a 1 Hz a causa della ridotta ampiezza di sollecitazione per ciclo.

Il meccanismo della fatica termomeccanica dalla modulazione di potenza

Ogni ciclo di accensione-riscalda il filo della resistenza, che si espande. L'espansione sollecita l'isolamento circostante in ossido di magnesio e la guaina in titanio. Ogni ciclo di spegnimento-consente il raffreddamento e la contrazione. L'ampiezza dello stress (Δσ) è proporzionale all'oscillazione della temperatura (ΔT) moltiplicato per il coefficiente di dilatazione termica. Per un filo NiCr,=14 × 10⁻⁶ / grado ; per il titanio,=8.6 × 10⁻⁶ / grado . Alla modulazione di 1 Hz con un'oscillazione della temperatura di 30 gradi, il filo NiCr subisce una deformazione ciclica di circa lo 0,04%, sufficiente a causare un basso-affaticamento da ciclo per milioni di cicli. Alla modulazione di 100 Hz con un'oscillazione di 5 gradi, la deformazione è solo dello 0,007%, ovvero al di sotto del limite di fatica per entrambi i materiali, garantendo una durata quasi-infinita.

Vita a fatica quantitativa in funzione della frequenza PWM

Test controllati sui riscaldatori a guaina in titanio di grado 2 con fili di resistenza NiCr a una densità di potenza di 15 W/cm² hanno stabilito le seguenti vite a fatica per diverse frequenze PWM. Durante il funzionamento continuo (nessuna modulazione, linea di base), la durata del filo di resistenza supera le 100.000 ore e la guaina in titanio non mostra affaticamento termico. A 0,1 Hz PWM (un ciclo ogni 10 secondi) con un'oscillazione della temperatura di 40 gradi, la durata del filo di resistenza è di 2.000–5.000 ore e la guaina in titanio mostra crepe dopo 10.000–20.000 cicli. A PWM a 1 Hz con un'oscillazione di 30 gradi, la durata del filo di resistenza è di 5.000–15.000 ore e la guaina in titanio mostra crepe dopo 20.000–50.000 cicli. A PWM a 10 Hz con un'oscillazione di 15 gradi, la durata del filo di resistenza è di 20.000–50.000 ore e la guaina in titanio non mostra crepe entro 100.000 cicli. A 100 Hz PWM con un'oscillazione di 5 gradi, la durata del filo di resistenza supera le 100.000 ore e la guaina in titanio non mostra affaticamento termico. A 1.000 Hz PWM, l'oscillazione della temperatura è inferiore a 2 gradi e le prestazioni equivalgono al funzionamento continuo.

Influenza della densità di potenza e della geometria del riscaldatore sulla sensibilità PWM

L'effetto della frequenza PWM dipende dalla densità di potenza e dalla massa termica del riscaldatore. A bassa densità di potenza (5 W/cm²), le oscillazioni di temperatura sono minori per qualsiasi frequenza, quindi un segnale PWM da 1 Hz produce solo un'oscillazione di 10 gradi e la durata del cavo è di 20.000–50.000 ore. Ad alta densità di potenza (25 W/cm²), un segnale PWM da 1 Hz produce un'oscillazione di 50 gradi, riducendo la durata del cavo a 1.000–3.000 ore. Per un tubo a parete sottile-(0,9 mm), la massa termica è inferiore e le oscillazioni di temperatura sono maggiori. Per un tubo a parete spessa-(2,0 mm), la massa termica è maggiore e le oscillazioni di temperatura sono ridotte del 30–50%. In un riscaldatore lungo (2 m) la massa termica smorza anche l'escursione termica alle estremità.

Guida alla selezione della frequenza PWM per i riscaldatori a guaina in titanio

La tabella seguente fornisce raccomandazioni per la frequenza PWM in base alla densità di potenza, alla durata desiderata del riscaldatore e ai requisiti di controllo della temperatura.

Ingegneria oltre la selezione della frequenza PWM

Il grado di titanio non influisce sulla resistenza alla fatica termica del filo di resistenza, ma il titanio di Grado 7 ha un'espansione termica simile al Grado 2. Il materiale del filo di resistenza influisce in modo significativo sulla durata a fatica; Il filo NiCr 80/20 ha una migliore resistenza alla fatica termica rispetto al filo FeCrAl. La qualità dell'isolamento in ossido di magnesio è importante; l'MgO ben-compattato trasferisce meglio il calore, riducendo la differenza di temperatura tra il filo e la guaina. Il controllo della potenza con avvio graduale (aumento graduale della potenza anziché impulsi di accensione{8}}completa) può ridurre ulteriormente lo stress termico. Per le applicazioni che richiedono un controllo preciso della temperatura, è sempre preferibile una frequenza PWM più elevata (100–1.000 Hz).

Fare una specifica informata

Per un riscaldatore a guaina in titanio con modulazione di potenza, specificare una frequenza PWM di 100 Hz o superiore per ridurre al minimo l'affaticamento termomeccanico. Per applicazioni ad alta-potenza-densità superiori a 20 W/cm², specificare 1.000 Hz PWM o utilizzare un controller dell'angolo di fase-(controllo uniforme della potenza) invece della modulazione on-off. Per i riscaldatori esistenti che funzionano a bassa frequenza (1 Hz), aggiungi un induttore di livellamento o cambia il controller in PWM ad alta-frequenza. Se è accettabile una precisione del controllo della temperatura di ±2 gradi, una frequenza di 10 Hz fornisce un'adeguata durata alla fatica termica per la maggior parte delle applicazioni. Operando a 100 Hz PWM anziché a 1 Hz, l'ingegnere riduce l'oscillazione della temperatura da 30 gradi a 5 gradi, prolungando la durata a fatica del filo di resistenza e della guaina in titanio di un fattore 5-10.