A água deionizada (DI) tem condutividade elétrica muito baixa-normalmente 0,1–10 µS/cm, em comparação com 500–1.000 µS/cm da água da torneira. Numa situação de falha à terra em que a bainha PFA é rompida e o elemento de aquecimento entra em contato com a água DI, a corrente de fuga é muito menor do que na água da torneira devido à alta resistividade da água DI. Um GFCI (interruptor de circuito de falha de aterramento) padrão de 30 mA pode não desarmar porque a corrente de fuga através da água deionizada pode ser de apenas 5–15 mA-insuficiente para atingir o limite de 30 mA. O aquecedor continua operando com uma falha latente e o núcleo metálico corrói lentamente ao longo de semanas ou meses. Eventualmente, os produtos de corrosão podem criar um caminho condutor, ou o núcleo pode falhar ao abrir, mas o atraso permite a contaminação do banho. Para sistemas de água DI, os limites de disparo do GFCI devem ser de 5 a 10 mA, e não de 30 mA. Algumas jurisdições permitem 5 mA para proteção de equipamentos em fluidos de alta-resistividade.

Condutividade e corrente de vazamento em água DI

A corrente de fuga de um elemento de aquecimento exposto (120 VCA) para o solo através da água DI é I=V / R, onde R é a resistência do caminho da água. Resistência R=ρ × L / A, onde ρ é a resistividade (Ω·cm), L é o comprimento do caminho (cm), A é a área da seção transversal-(cm²). Para água DI com ρ=1 MΩ·cm (1.000.000 Ω·cm), L=10 cm, A=1 cm², R=1.000.000 × 10 / 1=10.000.000 Ω. Corrente de fuga I=120/10.000,000=0.012 mA-muito abaixo de qualquer limite. Porém, se a área exposta for maior (A=100 cm²) e o caminho mais curto (L=1 cm), R=1.000.000 × 1 / 100=10.000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Isso está acima de 5 mA, mas abaixo de 30 mA. Um GFCI de 30 mA não desarmaria; um GFCI de 5 mA desarmaria dentro de 200–300 ms.

À medida que o núcleo do aquecedor sofre corrosão, os íons metálicos (níquel, ferro, cromo) se dissolvem na água deionizada, aumentando a condutividade. Uma pequena falha que começa em 12 mA pode crescer até 30 mA em 24 a 48 horas. Durante esse tempo, o aquecedor continua operando e os íons metálicos contaminam a água deionizada. Em sistemas DI semicondutores ou farmacêuticos, mesmo níveis ppb de íons metálicos podem arruinar o produto. Um GFCI de 5 mA dispara quando a falha ainda é pequena, minimizando a contaminação.

Comparação de limite de viagem GFCI para água DI

Considerações especiais para DI ultra{0}}puro

Em água DI ultra-pura (18 MΩ·cm, usada em fábricas de semicondutores), as correntes de fuga de falhas do aquecedor são normalmente inferiores a 1 mA. Nem os GFCIs de 30 mA nem de 5 mA desarmarão. Para tais sistemas, o aquecedor deve ser projetado com múltiplas barreiras (por exemplo, bainhas duplas de PFA) ou usar um método de aquecimento diferente (por exemplo,-aquecedor de quartzo em linha). Algumas instalações utilizam monitorização da resistência de isolamento (IRM) em vez de GFCI: o sistema mede continuamente a resistência entre o elemento de aquecimento e a terra. Quando a resistência cai abaixo de um limite (por exemplo, 10 MΩ para DI ultra-puro), um alarme soa. O IRM pode detectar falhas que nunca desarmariam um GFCI porque a corrente de fuga é muito baixa (0,5 mA a 120 V até 240 kΩ? Espere: I=120/10e6=0.012 mA). Na verdade, 10 MΩ dá 0,012 mA, que é detectável pelo IRM sensível, mas não pelo GFCI. São usados ​​limites de IRM de 1–10 MΩ.

Para a maioria dos sistemas de água DI (não{0}}semicondutores), a resistividade é de 0,5–5 MΩ·cm e GFCIs de 5–10 mA são eficazes. Para DI ultra-puro de semicondutor, use IRM (alarme de 1 a 10 MΩ) mais construção de barreira-dupla.

Código e considerações jurisdicionais

NEC (NFPA 70) O Artigo 426 exige proteção contra falha à terra para equipamentos fixos de aquecimento elétrico. Para aquecedores submersíveis, o limite máximo de disparo é de 30 mA para proteção pessoal. No entanto, o Artigo 427 permite limites mais baixos (até 5 mA) para proteção de equipamentos onde a proteção pessoal não é a principal preocupação (por exemplo, aquecedores em áreas acessíveis, mas sem contato do-usuário-). Para sistemas de água DI, especifique "proteção de equipamento GFCI" com limite de disparo de 5–10 mA. Em algumas jurisdições, um GFCI de 5 mA é necessário para qualquer aquecedor de água com condutividade inferior a 100 µS/cm. Verifique os códigos locais.

Para modernizar tanques de água DI existentes com GFCIs de 30 mA, substitua por GFCIs de 5 mA. As unidades são intercambiáveis ​​(mesmo formato) e custam de US$ 50 a US$ 100, muito menos do que o custo de um único evento de contaminação.

Exemplo de campo

O circuito de polimento de água DI de uma fábrica de semicondutores usava aquecedores PFA com GFCIs de 30 mA. Ao longo de 2 anos, três aquecedores desenvolveram pequenas falhas à terra (corrente de fuga de 10 a 20 mA) que não desarmaram os GFCIs de 30 mA. Os operadores não notaram nenhum alarme. Íons metálicos (ferro, níquel) lixiviaram-se na água DI, aumentando a resistividade de 18 MΩ·cm para 2 MΩ·cm e contaminando um lote de wafers. A fábrica mudou para GFCIs de 5 mA. As falhas subsequentes do aquecedor dispararam imediatamente a 5 mA, limitando a contaminação a níveis insignificantes. A fábrica também adicionou IRM com limite de alarme de 10 MΩ para loops ultra-puros.

Conclusão: Use 5–10 mA GFCI para água DI

Deionized water's low conductivity limits ground fault currents to 5–20 mA for typical breach sizes. A standard 30 mA GFCI may not trip, leaving the heater operating with a latent fault, corroding the core, and contaminating the bath. For DI water systems (0.5–5 MΩ·cm resistivity), specify a GFCI with 5–10 mA trip threshold. For ultra-pure DI water (>10 MΩ·cm), use monitoramento de resistência de isolamento em vez de GFCI. O custo de um GFCI de 5 mA é mínimo comparado ao custo da contaminação. Não envie um aquecedor PFA para serviço de água DI com um GFCI de 30 mA. Especifique inferior. Viaje cedo, viaje com frequência. Proteja o banho, proteja o produto.