Materijal je bitan – zašto legure omotača stvaraju ili narušavaju performanse grijača kriogenog kertridža
Uobičajena zabluda u industriji grijanja je da je kertridž grijač grijač uloška. Jedan izgleda kao drugi, a ako se snaga i napon poklapaju, aplikacija bi trebala raditi. Ova pretpostavka spektakularno ne uspijeva kada radno okruženje uključuje tečni dušik ili druge kriogene tekućine. Izbor materijala koji se koristi za grijač kertridža određuju ne samo koliko će dugo trajati, već i hoće li uopće preživjeti prvi ciklus uključivanja-.
Plašt je prva linija odbrane i preuzima najveći teret termičke kazne u kriogenskoj službi. Standardni nehrđajući čelik 304, koji odlično služi u bezbrojnim primjenama industrijskog grijanja, postaje obaveza pri temperaturama tekućeg dušika. Temperatura duktilnog-u-prelaza od 304 nerđajućeg čelika je znatno iznad minus 196 stepeni Celzijusa. Kada se grijač sa omotačem 304 pokrene iz kriogene hladnoće, brzi porast temperature stvara napone toplinskog širenja koje sada-krhki materijal ne može podnijeti. Nastaju pukotine. Plašt pokvari. Grijač je gotov.
Specijalizovane legure čine svu razliku. Inconel 625, superlegura nikla-hroma-molibdena, održava svoju duktilnost i čvrstoću od kriogenih temperatura sve do 980 stepeni Celzijusa. Njegova otpornost na zamor ostaje odlična čak i na temperaturama tečnog azota. Sadržaj nikla pruža otpornost na pucanje hloridnim naponom, hrom dodaje otpornost na oksidaciju, a molibden sprečava koroziju u obliku rupica i pukotina. Ovi kvaliteti čine Inconel 625 posebno -prikladnim za primjene u kojima grijač stalno kruži između kriogenih i povišenih temperatura.
Inconel 600 je još jedna legura koja se često specificira za kriogene omote grijača kartridža. Nudi sličnu duktilnost na niskim-temperaturama i otpornost na koroziju, ali sa malo drugačijim karakteristikama performansi u rasponu temperatura. Izbor između Inconel 600 i 625 obično zavisi od specifičnog hemijskog okruženja i maksimalne temperature koju će grejač dostići tokom rada.
Podjednaku pažnju zaslužuje i unutrašnji izolacioni materijal. Magnezijum oksid u prahu, sabijen do velike gustine, obezbeđuje električnu izolaciju i toplotnu provodljivost na koju se oslanjaju grijači uložaka. Ali nisu svi magnezijum oksidi stvoreni jednaki. Za kriogenu upotrebu, čistoća i gustina zbijanja postaju kritični faktori. Tehnike sabijanja velike -gustine kojima se postižu gustine veće od 3,2 grama po kubnom centimetru su neophodne za održavanje strukturalnog integriteta u ekstremnim temperaturnim rasponima. Niža gustoća zbijanja ostavlja praznine koje mogu zarobiti vlagu, koja se smrzava i širi na kriogenim temperaturama, lomeći izolaciju iznutra.
Bitna je i vrsta magnezijum oksida. Različiti razredi su formulisani za različite temperaturne opsege. Niskotemperaturne formulacije magnezijum oksida, srednje{3}} i visoke{4} formulacije imaju svoje mjesto. Za kriogene primjene koje će imati velike temperaturne promjene, izolacija mora održavati svoju dielektričnu čvrstoću i toplinsku provodljivost u cijelom radnom rasponu. Standardni magnezijev oksid koji savršeno radi na sobnoj temperaturi može pretrpjeti suptilne kristalne promjene na kriogenim temperaturama koje ugrožavaju njegova izolacijska svojstva.
Tehnologija zaptivanja je još jedna oblast u kojoj izbor materijala ima veliku važnost. Standardni grijači s jednostavnim zaptivkama omogućavaju postepeni prodor vlage što uzrokuje nepredvidiv kvar u kriogenom radu. Hermetičko zaptivanje upotrebom staklenih-na-metalnih ili keramičkih konstrukcija, u kombinaciji sa unutrašnjim sakupljačima vlage, održava suvo unutrašnje okruženje neophodno za pouzdanost. Neki vrhunski proizvođači koriste keramičke-na-veze ili specijalizirane epoksidne spojeve formulirane posebno za kriogene uvjete.
Sama otporna žica mora biti odabrana imajući na umu kriogeni rad. Dok je nikl-hrom 80/20 industrijski standard, njegova otpornost značajno opada na niskim temperaturama. To znači da će grijač trošiti više struje i proizvoditi više energije pri hladnom pokretanju-nego bi to bio na sobnoj temperaturi. Žica mora biti dimenzionirana i ocijenjena da izdrži ova prolazna preopterećenja bez pregrijavanja ili degradacije. Neki specijalizovani dizajni koriste različite legure otpornosti koje imaju stabilnije temperaturne koeficijente u kriogenom opsegu.
Na osnovu zapažanja na terenu u farmaceutskim i svemirskim proizvodnim sektorima, kvarovi u kriogenim grijačima patrona obično proizlaze iz fundamentalnih nesporazuma o tome kako ekstremna hladnoća transformiše svojstva materijala. Kertridž grijač koji savršeno radi na sobnoj temperaturi može katastrofalno da pokvari u roku od nekoliko dana na minus 180 stepeni, pri čemu se pukotine na omotaču pojavljuju gotovo odmah nakon uključivanja struje. Rješenje je odrediti materijale koji su dokazani za cijeli temperaturni raspon koji će grijač doživjeti, a ne samo za stabilnu-radnu temperaturu. To znači da se uzme u obzir duktilnost legure na najnižoj temperaturi, stabilnost izolacije tokom termičkog ciklusa, sposobnost brtve da isključi vlagu i ponašanje otporne žice u uslovima hladnog-staranja.
