Ko se tekoči dušik sreča z elektriko – Smisel o ogrevanju pri ekstremno nizkih{0}}temperaturah
Predstavljajte si to: kos industrijske opreme, ki sedi pri minus 196 stopinjah Celzija, kar je vrelišče tekočega dušika. Vzdrževalna ekipa mora določeno cono segreti na delovno temperaturo, toda v trenutku, ko je standardni grelni element priključen na električno energijo, nekaj poči. Ovoj se razcepi. Grelec je mrtev v nekaj urah. Ta scenarij se izvaja pogosteje, kot bi si mnogi želeli priznati, v kriogenih obratih, tovarnah polprevodnikov in farmacevtskih postopkih liofilizacije.
Izziv pri ogrevanju pri temperaturah tekočega dušika pravzaprav ni ustvarjanje dovolj toplote. Pravzaprav je problem ravno nasproten. Standardni kartušni grelniki dobro proizvajajo toploto. Težava je v tem, da materiali, iz katerih so izdelani, preprosto ne morejo prenesti ekstremnega toplotnega šoka, do katerega pride, ko uporovna žica znotraj grelnika v nekaj sekundah preide iz kriogenega mraza na nekaj sto stopinj Celzija.
Evo, kaj se zgodi. Ko električna energija teče skozi uporovno žico kartušnega grelnika pri kriogenih temperaturah, se na površini žice skoraj v trenutku nabere toplota. Izolacija iz magnezijevega oksida in kovinski ovoj okoli nje pa ostaneta pri temperaturi tekočega dušika. V prvih nekaj sekundah delovanja se na mejah materiala oblikujejo temperaturni gradienti več kot 800 stopinj Celzija na centimeter. Standardni plašči iz nerjavečega jekla 304, ki se odlično obnesejo pri splošnem industrijskem ogrevanju, pri teh temperaturah postanejo krhki in pod mehanskimi obremenitvami počijo.
Fizika za tem je preprosta. Večina kovin prehaja iz duktilne-v-krhkost, ko temperatura pade. Pri sobni temperaturi se lahko plašč iz nerjavečega jekla nekoliko upogne, ne da bi se zlomil. Pri minus 196 stopinjah ta isti material izgubi prožnost in se zlomi pod obremenitvijo toplotnega raztezanja. To je razlog, zakaj kriogeni-grelniki kartuš zahtevajo posebne materiale ovoja, kot je Inconel 625, ki ostane duktilen tudi pri hitrih spremembah temperature od kriogenih pogojev vse do 980 stopinj Celzija.
Še en dejavnik, ki ga pogosto spregledamo, je vlaga. Izolacija iz-magnezijevega oksida visoke čistosti odlično prevaja toploto, hkrati pa blokira elektriko, vendar ima eno slabost. Absorbira vlago iz zraka. Vsaka vodna para, ki se med proizvodnjo ujame v ohišje grelnika ali pronica skozi nepopolna tesnila, zmrzne pri temperaturah tekočega dušika. Ko voda zmrzne, se razširi za približno devet odstotkov prostornine. Znotraj zaprtega grelnika ta ekspanzija ustvari dovolj pritiska, da zlomi stisnjeno izolacijo ali loči ovoj od končnih tesnil. Vrhunski kartušni grelniki, zasnovani za kriogene storitve, to obravnavajo s postopki vakuumskega-polnjenja, ki odpravljajo praznine, čemur sledi hermetično tesnjenje s keramičnimi--kovinskimi povezavami ali posebnimi epoksidnimi spojinami, ocenjenimi za kriogeno delovanje. Po-pečenje-izdelave pri 120 do 150 stopinjah Celzija zagotavlja, da se pred pošiljanjem odstrani vsa preostala vlaga.
Električno obnašanje uporovne žice se močno spremeni tudi pri nizkih temperaturah. Nikelj-kromove zlitine, ki so standardni material za uporovno žico grelnega vložka, imajo približno 10 do 15 odstotkov manjši upor pri minus 40 stopinjah kot pri sobni temperaturi. Pri temperaturah tekočega dušika je ta učinek še bolj izrazit. Manjši upor pomeni, da grelnik porabi več toka in proizvede več moči, ko se zažene iz hladnega stanja. Ta lastnost je dejansko lahko uporabna za premagovanje velikega učinka toplotnega ponora v kriogenih okoljih, vendar dodatno obremeni uporovno žico in zahteva nadzorne sisteme, ki so sposobni obvladati začasne preobremenitve.
Na podlagi izkušenj je najpomembnejši dejavnik pri kateri koli uporabi kriogenega ogrevanja izbira materiala. Zlitina plašča, gostota zbijanja izolacije, vrsta tesnila in celo material svinčene žice so pomembni veliko bolj kot same ocene moči. Kartušni grelnik, ki je zunaj videti identičen standardnemu industrijskemu modelu, je lahko znotraj popolnoma neprimeren za uporabo s tekočim dušikom. Razlike, ki ločujejo zanesljivo kriogeno delovanje od hitre odpovedi, so skrite v notranji konstrukciji in specifikacijah materiala.
Za aplikacije, ki vključujejo ogrevanje s tekočim dušikom, mora biti kartušni grelec zasnovan posebej za celotno temperaturno območje, ki ga bo imel, ne le za delovno temperaturo-stacionarnega stanja. To pomeni upoštevanje toplotnega šoka med zagonom, mehanskih obremenitev zaradi ponavljajočih se termičnih ciklov, preprečevanja vdora vlage in spreminjanja električnih lastnosti upornih materialov v celotnem temperaturnem spektru. Ko so ti dejavniki ustrezno obravnavani, lahko kartušni grelniki zagotovijo zanesljivo storitev v nekaterih najzahtevnejših toplotnih okoljih v sodobni industriji.
