Qual è l'impatto di una piegatura stretta sul filo di resistenza interno e sulle sue prestazioni elettriche?

La guaina in PTFE può sembrare a posto dall'esterno, ma se il filo di resistenza all'interno è stato sottoposto a sollecitazioni eccessive quando è stato piegato, all'interno si sta sviluppando un punto caldo. La piegatura è un luogo frequente di esaurimento precoce e la ragione principale è spesso un danno meccanico al filo, danno che non può essere rilevato da alcuna ispezione esterna. Comprendere l'effetto del funzionamento di un riscaldatore in PTFE con filo di resistenza interno piegato è fondamentale per chiunque specifichi o installi riscaldatori a immersione sagomati in operazioni industriali impegnative.

Risposta del filo di resistenza interno alla flessione
All'interno di ciascun riscaldatore a immersione in PTFE è presente un filo di resistenza metallico. Solitamente la lega utilizzata è una lega NiCr (nichel-cromo) (Nicromo). Il filo è il cuore pulsante del riscaldatore; quando è attraversato da corrente elettrica, si verifica un riscaldamento resistivo. Nella maggior parte dei modelli, il filo viene attorcigliato in una spirale elicoidale perfetta o disposto come un filo diritto e omogeneo per tutta la lunghezza della guaina in PTFE.

Quindi il riscaldatore viene piegato in una certa forma. Il filo di resistenza viene quindi piegato seguendo la stessa curva. La risposta meccanica del filo è funzione della posizione rispetto alla piega:

All'esterno della curva - Il filo viene messo in tensione. Se il raggio di curvatura è sufficientemente ampio, il filo viene allungato elasticamente e ritorna alla sua lunghezza originale quando viene rilasciata la forza di piegatura. Ma se la curvatura è troppo netta il filo supera il suo limite elastico e acquisisce una distorsione plastica permanente che lo rende localmente più sottile.

Il filo è sottoposto a sollecitazione di compressione all'interno della curva. Se lo pieghi bruscamente, il cerchio interno del filo verrà compresso e il filo si deformerà/si piegherà/si arriccerà. In una struttura a filo elicoidale, le spire consecutive possono toccarsi o distanziarsi in modo non uniforme.

Le implicazioni elettriche: punto caldo e filo allungato
Guasti elettrici di vario tipo derivano dalle curve strette del filo di resistenza di un riscaldatore in PTFE, con conseguenti prestazioni ridotte e una durata di servizio più breve.

Aumento della resistenza localizzata
Quando il filo viene allungato e piegato verso l'esterno, il filo di resistenza diventa più sottile e l'area della sezione trasversale diminuisce. La resistenza elettrica è inversamente proporzionale all'area della sezione trasversale-, quindi una sezione più sottile ha una resistenza maggiore per unità di lunghezza. Questo aumento locale della resistenza significa che, a parità di corrente che attraversa l'intero riscaldatore, il pezzo piegato produce una quantità di calore sproporzionatamente maggiore (potenza=I2R). Questo forma un punto caldo, una piccola parte del riscaldatore dove la temperatura è molto più alta rispetto al resto del riscaldatore.

Implicazioni sui punti caldi
Un hot spot è responsabile di una serie di meccanismi di guasto:

Ossidazione del filo di resistenza - Quanto più rapida è l'ossidazione della lega NiCr, tanto più alta è la temperatura. L'ossidazione aumenta ulteriormente la resistenza, creando un circuito di feedback positivo che alla fine porterà a una fusione-o a un circuito aperto.

Degradazione della guaina in PTFE circostante - Il PTFE può essere utilizzato continuamente a 110 gradi, sebbene una zona calda possa localmente essere superiore a 200 gradi o più. A queste temperature, il PTFE comincia a deteriorarsi, perde rigidità dielettrica e forse emette sottoprodotti corrosivi. Nella piegatura sovrasollecitata la guaina potrebbe ammorbidirsi, deformarsi o rompersi.

Riduzione della durata del filo indotta dalla fatica-
Quando la deformazione plastica non rompe il filo teso anche durante la flessione, si verificano concentrazioni di tensioni. Il filo si gonfia e si contrae dopo ripetuti cicli termici (riscaldamento fino alla temperatura operativa e raffreddamento alla temperatura ambiente). L'area della curva sotto tensione è soggetta a sollecitazioni meccaniche cicliche, causando rotture per fatica. Un cavo che avrebbe potuto resistere per anni con una struttura rettilinea può rompersi nel giro di mesi con una curvatura stretta.

Il problema del raggruppamento e del contatto tra le svolte
Negli elementi riscaldanti a filo a spirale, la curvatura stretta all'interno della curva potrebbe comprimere la bobina causando il contatto delle spire adiacenti. Se le spire si toccano, la corrente elettrica può saltare oltre l'elica prevista, diminuendo così la lunghezza attiva del filo in quella zona. Ciò diminuisce la resistenza locale (contro l'effetto del filo allungato-) ma causa un'altra difficoltà: congestione della corrente e distribuzione ineguale del calore. Il punto di contatto può formare archi o riscaldarsi localmente, formando nuovamente un punto caldo.

In realtà le misurazioni della resistenza elettrica ai terminali del riscaldatore potrebbero inizialmente indicare valori normali. In un multimetro, la resistenza dell'intero filo rientra nelle specifiche, pertanto non è possibile rilevare un piccolo punto caldo. In molti casi, il guasto si verifica dopo un periodo di funzionamento, a volte centinaia di ore, a volte solo pochi giorni, quando il punto caldo alla fine si scioglie attraverso il filo, o il PTFE compromesso consente un cortocircuito verso terra.

Integrità del filo interno dopo il test di piegatura
La guaina in PTFE non è trasparente pertanto il filo interno non è ispezionabile visivamente. I produttori-attenti alla qualità utilizzano l'ispezione a raggi X-per analizzare la disposizione dei cavi all'interno di un riscaldatore piegato finito. Un'immagine a raggi X- rivela:

Spaziatura uniforme delle spire della bobina (nessun raggruppamento o separazione)

Nessuna piega, piegatura grave o assottigliamento del filo

Ripetibilità della posizione del filo rispetto alla linea centrale della guaina

Una piegatura ben formata ha mantenuto la geometria originale del filo tramite la piegatura con mandrino riscaldato e la ricottura post-piegatura. Il filo all'esterno della piega non viene sollecitato oltre il limite elastico e il filo all'interno non si deforma. La spaziatura dei fili è uniforme e aiuta a promuovere un calore uniforme su tutta la lunghezza del riscaldatore.

Come il ciclo termico peggiora i piccoli danni da flessione
Un riscaldatore piegato leggermente eccessivamente stretto può resistere all'accensione iniziale-e anche a diversi giorni di funzionamento continuo. Tuttavia, il ciclo termico (riscaldamento e raffreddamento) aumenta il danno in due modi:

Espansione differenziale - Il filo e la guaina in PTFE hanno coefficienti di espansione termica distinti. Ogni ciclo genera sollecitazioni di taglio al contatto della guaina del filo-, localizzate nella piega dove il filo è già sollecitato.

Ossidazione progressiva - Quando ogni punto caldo raggiunge una temperatura elevata, sul filo viene creato un piccolo rivestimento di ossido. Questo strato di ossido è meno conduttivo e più fragile. Alla fine il filo diventa così sottile e ossidato da rompersi.

Abbiamo scoperto dall'esperienza sul campo che se si piega un riscaldatore a un raggio inferiore a 5-6 volte il diametro esterno, in genere si guasterà in un periodo compreso tra 3 e 12 mesi in condizioni di ciclo normali, mentre un riscaldatore identico con piegature adeguate durerà 5 o più anni.

Conclusione: l'affidabilità elettrica è precisione meccanica
L'affidabilità elettrica a lungo termine si basa sulla protezione del filo di resistenza interno da sollecitazioni eccessive durante la piegatura. Una piegatura stretta torcerà o aggroviglia il filo provocando zone calde localizzate che favoriscono l'ossidazione, danneggiano la guaina in PTFE e portano a una combustione prematura. I test elettrici iniziali possono essere superati, ma il danno nascosto si manifesta invariabilmente durante l'uso.

Questa comprensione porta ad una conclusione più generale, ovvero che la qualità del riscaldatore è una combinazione di precisione meccanica e prestazioni elettriche. La piegatura-del mandrino riscaldato, la-ricottura post-piegatura e la verifica a raggi X-sono prive di stress-e utilizzano le stesse procedure di produzione che preservano l'integrità del filo di resistenza interno. Specificare un raggio di curvatura minimo non è sufficiente per proteggere il cavo, prevenire punti caldi e garantire la lunga durata richiesta dalle applicazioni industriali.