Kriyojenik Kartuş Isıtıcının Arkasındaki Malzeme Bilimi
Standart paslanmaz çelik 304, çoğu endüstriyel ısıtma uygulamasında takdire şayan bir şekilde çalışır. Ancak eksi 120 santigrat derecede tamamen farklı bir malzeme haline gelir. Yaygın malzemelerin yumuşak-kırılganlıktan{-kırılganlığa geçiş sıcaklığı, oda sıcaklığında güçlü ve esnek olan bileşenlerin sıcaklık düştüğünde kırılgan hale geleceği ve çatlamaya{-eğilimli olacağı anlamına gelir. Bu temel malzeme gerçeği, neden bu kadar çok standart kartuş ısıtıcısının kriyojenik hizmette başarısız olduğunu açıklıyor.
Aşırı soğuk hizmet için kılıf malzemesi seçiminde, yalnızca korozyon direncinden ziyade termal genleşme uyumuna öncelik verilir. 304 paslanmaz çelik çoğu uygulama için mükemmel korozyon direnci ve maliyet etkinliği- sunarken, 316L paslanmaz çelik klorürlere ve endüstriyel kimyasallara karşı üstün direnç sağlar. En zorlu koşullar için-hem kriyojenik sıcaklıklara hem de aşındırıcı atmosferlere maruz kalan ısıtma elemanları-Incoloy 800 veya 840 alaşımları her iki dünyanın da en iyisini sunar: yüksek sıcaklıklarda oksidasyon direnci ve düşük sıcaklıklarda tokluk.
Inconel 600 ve özel nikel-krom alaşımları, eksi 120 dereceler arasında geçiş yaparken ve sıfırın birkaç yüz dereceye ulaşan çalışma sıcaklıklarında termal şoka karşı üstün direnç gösterir. Bu nikel-demir-krom alaşımları, daha az malzemeyi çatlatacak aşırı sıcaklık değişimlerinde mekanik özelliklerini korur. Isıtıcı kılıflar ile çevredeki metal yapılar arasındaki uyumsuzluklar, soğuma aşamaları sırasında ezilme kuvvetleri oluşturduğundan, termal genleşme katsayısı birincil tasarım hususu haline gelir.
Dahili direnç teli kendi maddi zorluklarını da beraberinde getirir. Kartuş ısıtıcı imalatında standart olan nikel-krom alaşımları, kriyojenik sıcaklıklarda değişen direnç özellikleri sergiler. Dirençteki düşüş-alaşım bileşimine bağlı olarak genellikle yüzde 10 ila 15 arasında-belirli bir voltaj için daha fazla akım çekileceği ve daha fazla güç üretileceği anlamına gelir. Bu olgu, direncin sıcaklık aralıklarında sabit kaldığını varsayan birçok sistem tasarımcısını şaşırtıyor. İstenmeyen aşırı güç koşullarından kaçınmak için kartuş ısıtıcı yoğunluğu hesaplamasının bu direnç değişimini hesaba katması gerekir.
Elektrik yalıtımı ve ısı iletimi açısından mükemmel olan magnezyum oksit yalıtımı, kriyojenik sıcaklıklarda farklı bir zorluk teşkil eder. Depolama veya çalıştırma sırasında emilen nem sıfırın altındaki sıcaklıklarda- donar ve genişler. Buz kristalleri hacimsel olarak yaklaşık yüzde 9 oranında büyür-sıkıştırılmış izolasyonu kırmaya veya kılıfı uç contalardan çekmeye yetecek basınçtadır. Birinci sınıf üretim prosedürleri, magnezyum oksidi vakumla-doldurarak ve seramik-metal-bağlantılarla veya termal şok direncine sahip epoksi bileşiklerle mühürleyerek bu sorunu çözer.
Elektriksel sonlandırma, kriyojenik ortamlarda özellikle dikkat gerektirir. Standart kıvrımlı bağlantılar, ısıtıcı kablolarından farklı oranlarda daralarak, yerel ısınma ve olası tutuşma tehlikeleri oluşturan yüksek-dirençli bağlantılar oluşturur. Dondurulduğunda bağlarından ayrılan standart epoksiler yerine termal döngü için formüle edilmiş epoksi bileşikleri ile yalıtılmış gümüş-lehimli veya sert lehimli bağlantılar, sıcaklık spektrumu boyunca iletkenlik bütünlüğünü korur.
Kurşun tel yalıtımı başka bir arıza noktasını temsil eder. Standart PVC izolasyon eksi 20 santigrat derecede kırılgan hale gelir ve çatlar. Kaliteli soğuk-hava kartuşu ısıtıcıları, eksi 60 derecede esnek kalırken 250 santigrat derecede sürekli çalışma için derecelendirilmiş fiberglas-silikon kompozit yalıtıma sahiptir. Bu görünüşte küçük ayrıntı, genellikle tek kafalı bir elektrikli ısıtma borusunun hizmetteki ilk kışına dayanıp dayanamayacağını belirler.
Isıtılmamış uzunluk özelliği, kriyojenik uygulamalarda sıklıkla gözden kaçırılmaktadır. Standart tasarımlar, terminalin aşırı ısınmasını önlemek için uçta 5 ila 10 milimetrelik soğuk bölgeler içerir. Eksi 120 derecelik ortamlarda bu ısıtılmayan bölümün 25 ila 50 milimetreye kadar uzatılması, bağlantı sıcaklıklarını çiğlenme noktasının üzerinde tutarak elektrik muhafazalarında yoğuşmayı önler. Bazı tasarımlarda, erişilebilirliği korurken kabloları soğuk yüzeylerden uzağa yönlendirmek için-dik açılı kılıf uzantıları veya bükülmüş yapılandırmalar bulunur.
Kriyojenik servise yönelik kartuş ısıtıcısı, dikkatle dengelenmiş bir malzeme sistemini temsil eder. Her bileşenin, eksi 120 derecedeki soğuk ıslatma işleminden sıfırın birkaç yüz derece üzerindeki çalışma sıcaklığına kadar-400 santigrat dereceyi aşan bir sıcaklık aralığında performans göstermesi gerekir. Herhangi bir malzeme spesifikasyonundan taviz vermek, tüm sisteme yayılan arızalara davetiye çıkarır.
