Processos de alto-vácuo (pressão < 0,01 bar absoluto) criam um grande diferencial de pressão na bainha de PFA: 1 bar de pressão atmosférica externa empurrando para dentro, com quase-vácuo dentro do tanque. Para um aquecedor PFA padrão, o espaço anular interno entre o núcleo metálico e a bainha PFA está à pressão atmosférica (1 bar) porque não é vedado do ambiente. Durante a operação a vácuo, a bainha sofre uma pressão interna líquida de aproximadamente 0,99 bar. A tensão circular resultante é de compressão e não de tração. O PFA é mais forte na compressão do que na tração, mas o principal modo de falha é a flambagem ou o colapso do tubo de parede-fina. Para um tubo PFA com diâmetro externo de 25 mm e parede de 2 mm, a pressão externa crítica para colapso é de aproximadamente 2–3 bar. Um diferencial de 1 bar está abaixo disso, portanto o colapso não ocorre à temperatura ambiente. No entanto, em temperaturas elevadas (80–150 graus), o módulo do PFA cai 50–70% e a pressão crítica de colapso pode cair abaixo de 1 bar. Um projeto de-compensação de pressão-onde a lacuna anular interna é pressurizada com nitrogênio seco para corresponder ao vácuo externo-previne o colapso. Este projeto é recomendado para processos de vácuo acima de 80 graus.
Mecanismo de colapso e pressão crítica
A pressão externa crítica para um tubo de parede-fina é dada por P_crit=(2 × E) / (1 - ν²) × (t / D)³, onde E é o módulo de Young, ν é a razão de Poisson (0,45 para PFA), t é a espessura da parede e D é o diâmetro médio. A 20 graus, E=600 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_crit=(2 × 600) / (1 - 0.2025) × (2/23)³=(1.200 / 0,7975) × (0,0870)³=1,505 × 0.000658=0.99 barra. A 20 graus, a pressão crítica é de aproximadamente 1 bar-marginal. Qualquer imperfeição a reduz. A 100 graus, E cai para 250 MPa. P_crit=(2 × 250/0,7975) × 0.000658=627 × 0.000658=0.41 barra. Um tubo PFA padrão a 100 graus colapsa sob um vácuo diferencial de 0,41 bar. Como o diferencial real é de 0,99 bar, o colapso é certo. Evidência de campo: aquecedores de PFA em processos de vácuo a 80-120 graus geralmente mostram bainhas colapsadas-o PFA é achatado contra o núcleo de metal, às vezes com rugas circunferenciais. O colapso não causa falha elétrica imediata, mas cria alta tensão residual e pode rachar o PFA durante os ciclos térmicos subsequentes.
Pressão-Projeto Compensado
Um aquecedor de PFA-com pressão compensada tem um espaço anular vedado entre o núcleo de metal e a bainha de PFA. Durante a fabricação, a lacuna é evacuada e preenchida com nitrogênio seco a uma pressão absoluta de 0,5–1,0 bar. Um pequeno regulador de pressão ou uma vedação única-(por exemplo, tubo de metal crimpado) mantém a pressão interna. Quando o aquecedor é colocado em uma câmara de vácuo (por exemplo, 0,01 bar), a pressão interna (digamos 0,8 bar) cria um diferencial de apenas 0,79 bar para fora (de dentro para fora), e não para dentro. A bainha PFA sofre tensão circular de tração, não de compressão. A tensão de tração não causa colapso. A pressão externa crítica para ruptura é muito maior (10–20 bar). O aquecedor permanece estável.
O projeto-de pressão compensada tem dois desafios: (1) A vedação deve ser mantida durante a vida útil do aquecedor, incluindo o ciclo térmico. Vedações de metal-para{4}}PFA (acessórios de compressão) tendem a vazar com o tempo. Uma vedação de fole de metal soldado ou uma vedação de vidro-com-metal é mais confiável. (2) A pressão interna aumenta com a temperatura (PV=nRT). Um aquecedor cheio de 0,8 bar a 20 graus atingirá 1,2 bar a 150 graus. O PFA deve suportar esta tensão adicional no arco. Para parede de 2 mm, diâmetro externo de 25 mm, pressão interna de 1,2 bar fornece tensão circular=P × D / (2 × t)=0.12 × 25 / 4=0.75 MPa-desprezível.
Comparação de prevenção de colapso
| Projeto do aquecedor | Pressão de folga interna (bar abs) | Vácuo Externo (barra abs) | Diferencial líquido (barra) | Direção | Colapso em 20 graus? | Colapso em 100 graus? | Adequado para Alto Vácuo? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Padrão (ventilado) | 1.0 | 0.01 | 0,99 para dentro | Compressivo | Não (marginal) | Sim (recolher) | Não (acima de 50 graus) |
| Padrão (ventilado) com parede espessa (3 mm) | 1.0 | 0.01 | 0,99 para dentro | Compressivo | Não | Não (barra P_crit=1.4 a 100 graus) | Sim, mas transferência de calor pesada e fraca |
| Pressão-compensada (selada, preenchimento de 0,5 bar) | 0.5 | 0.01 | 0,49 para fora | Tração | Não | Não | Sim (todas as temperaturas) |
| Pressão-compensada (selada, preenchimento de 0,8 bar) | 0.8 | 0.01 | 0,79 para fora | Tração | Não | Não | Sim (design padrão) |
| Pressão-compensada com referência de vácuo | 1.0 (regulado para corresponder ao externo) | 0.01 | 0 (equilibrado) | Nenhum | Não | Não | Ideal (complexo) |
| Parede-dupla (PFA sobre núcleo de metal, sem folga) | N/A (sem lacuna) | N/A | N/A | N/A | Não | Não | Sim (o núcleo suporta PFA) |
Orientação de aplicação para processos de vácuo
Para processos de vácuo abaixo de 50 graus, um aquecedor PFA padrão (parede de 2 mm) é aceitável porque E permanece alto (≈ 500 MPa) e P_crit ≈ 0,8 bar-ainda abaixo do diferencial de 0,99 bar? Na verdade, 0,8 <0,99, então o colapso ainda é possível. A margem é pequena. Para maior confiabilidade, use pressão-compensada para qualquer vácuo abaixo de 0,1 bar.
Para processos de vácuo acima de 50 graus, é necessário um aquecedor-com pressão compensada. Sem compensação, o colapso é certo dentro de horas ou dias. Sintomas de colapso: (1) O aquecedor parece plano ou apresenta rugas; (2) A resistência do isolamento cai à medida que o PFA racha; (3) O aquecedor consome corrente mais alta (seção-transversal do núcleo reduzida? Improvável). Substitua imediatamente os aquecedores colapsados.
Para processos de vácuo acima de 150 graus, mesmo o PFA-com compensação de pressão pode não ser suficiente devido à fluência. A 150 graus, E=150 MPa, o PFA ainda pode suportar a pressão externa, mas a fluência ao longo do tempo pode fazer com que a bainha inche. Use um projeto de parede-dupla onde o PFA é suportado por um tubo de metal perfurado. O tubo metálico suporta a carga de pressão; o PFA fornece resistência química.
Exemplo de campo
Uma câmara de secagem a vácuo semicondutora operava a 120 graus, 0,01 bar. Os aquecedores PFA padrão entraram em colapso em 2 meses, mostrando bainhas enrugadas. A planta mudou para aquecedores com-pressão compensada (0,8 bar de nitrogênio interno, selado). Os aquecedores funcionaram por 3 anos sem quebrar. O custo adicional (prêmio de 30%) foi recuperado em 6 meses através da eliminação do tempo de inatividade.
Conclusão: a compensação de pressão evita o colapso em alto-vácuo
Os aquecedores PFA padrão entram em colapso sob alto vácuo em temperaturas acima de 50 graus porque o módulo do PFA cai, reduzindo a pressão externa crítica abaixo do diferencial de 1 bar. Projetos-com compensação de pressão-onde a lacuna anular interna é vedada e pressurizada com nitrogênio seco a 0,5–0,8 bar-evitam o colapso criando um pequeno diferencial de pressão para fora (tensão de tração) em vez de para dentro (compressão). Para qualquer processo de vácuo abaixo de 0,1 bar absoluto e acima de 50 graus, especifique aquecedores PFA com compensação de pressão. Para temperaturas acima de 150 graus, use PFA com suporte de-parede dupla-de metal. Não corra o risco de entrar em colapso. Um aquecedor colapsado é um aquecedor com falha. Compensar a pressão, ou o vácuo irá colapsar o seu aquecedor. Escolha a compensação.
