Comment spécifier correctement la longueur des broches froides du radiateur PFA pour éviter la corrosion par les condensats sur les bornes électriques ?

Les broches froides d'un radiateur PFA sont les bornes métalliques qui dépassent du haut de la section froide (la partie du radiateur qui n'est pas immergée) dans la boîte de jonction où sont effectuées les connexions électriques. Si la longueur de la broche froide est trop courte, les bornes sont trop proches du corps du PFA chauffé. Si les bornes sont en dessous du point de rosée, l'humidité de l'air ambiant se condensera sur les bornes. La chaleur transférée vers les broches froides les maintient au chaud - mais seulement si les broches sont suffisamment longues pour produire un gradient thermique. La longueur des broches étant courte et froide, les bornes refroidissent, ce qui favorise la condensation des vapeurs corrosives du réservoir (brouillards acides, chlore, ammoniac) sur les connexions électriques. Les produits chimiques condensés provoquent une corrosion des bornes, ce qui entraîne une augmentation de la résistance de contact, un échauffement et éventuellement un effondrement de la connexion. Pour la plupart des applications industrielles, la longueur minimale des broches froides est de 70 à 100 mm entre la section froide en PFA et l'extrémité de la borne. Pour les conditions de vapeur hostiles (HCl, HF, Cl2, NH3), spécifiez 120-150 mm pour garantir que les bornes sont au-dessus du point de rosée.

Gradient thermique de la broche froide
La broche froide (généralement en cuivre nickelé-ou en acier inoxydable) provient de l'élément chauffant interne, traverse la section froide en PFA et se termine dans la boîte de jonction. La base de la broche froide (intégrée dans le PFA) est à une température élevée, généralement de 80 à 120 degrés, en raison de la chaleur transmise par l'élément chauffant. La pointe de la broche froide (là où les fils sont fixés) doit être à température ambiante ou proche pour protéger les connexions électriques. La variation de température le long de la broche est déterminée par l'équation de conduction thermique. Le profil de température de la broche se rapproche exponentiellement de la température ambiante avec une longueur caractéristique λ=√ k × A h × P où k est la conductivité thermique (≈ 400 W/mK pour le cuivre, 15 W/mK pour l'acier inoxydable), A est la section transversale-, h est la perte de chaleur dans l'air ambiant par convection (h ≈ 10-20 W/m2.K) et P est le périmètre de la broche. Pour une broche en cuivre de 6 mm de diamètre A=28 mm2, P=19 mm, λ ≈ √ ( 400 x 2,8e-5 ) / ( 15 x 0,019 )=√ ( 0,0112 / 0,285 )=√ 0.039=0.20 m=200 mm. Il faut une longueur d'environ 200 mm pour que la broche refroidisse jusqu'à une température proche de la température ambiante. Pour l'acier inoxydable (k=15 W/m. K) λ≈ √(15×2,8e-5/15×0,019)= √(0,00042/0,285)= √0.00147=0.038 m=38 mm La moindre conductivité donne un gradient plus raide et les broches en acier inoxydable sont plus courtes. L’acier inoxydable a cependant une résistance électrique plus élevée que le cuivre et créera ainsi plus de chauffage ohmique au niveau de la connexion. La plupart des radiateurs de qualité PFA utilisent des broches froides en cuivre (plaquées or ou nickel) pour une faible résistance électrique et des longueurs plus longues.

En fait, une broche froide en cuivre d'une longueur de 70 à 100 mm (de la surface du PFA à la pointe) aura une température de pointe de 30 à 50 degrés au-dessus de la température ambiante dans des conditions de fonctionnement normales. À 30 °C ambiant, la pointe peut atteindre 60 - 80 C – toujours au-dessus du point de rosée dans la plupart des situations. À 10 degrés ambiants dans un environnement froid, la pointe peut être de 40 à 50 degrés, toujours au-dessus du point de rosée avec une humidité modérée (60 à 70 % d'humidité relative). Pour les réglages de vapeur difficiles, des broches plus longues sont recommandées (120-150 mm). La pointe doit être au-dessus du point de rosée de la vapeur acide ou chimique qui peut être aussi bas que 20 à 40 degrés.

Longueurs de broches froides recommandées par environnement Environnement Température ambiante typique Composition de la vapeur Point de rosée de la vapeur corrosive Longueur minimale de la broche froide (cuivre) Matériau recommandé pour la broche
Intérieur (salle de contrôle), sec, propre 20-30 degrés Pas de fumées corrosivesN/A 50 mmCuivre nickelé
Usage général industriel (pas de vapeurs agressives) 10 à 40 degrés Faible humidité, poussière occasionnelle 15 à 25 degrés 70 mm Cuivre nickelé-
Ligne de placage (brouillards acides : HCl, H₂SO₄) Brouillards acides, 30 à 80 % 20 à 40 degrés HR 30-45 degrés (point de rosée acide) 100 mm Cuivre, plaqué or- (résistant à la corrosion)
Chloration ou blanchiment (Cl2, ClO2) 10-50 degrés C Chlore humide 35-55 degrés C 120 mm Acier inoxydable (Cu se corrode en Cl2) Ligne de gravure HF (brouillard d'acide fluorhydrique) 20-40 degrés C Vapeur HF, très corrosive 25-40 degrés C 100 mm Acier inoxydable ou Monel (Cu attaqué par HF)
Service d'ammoniac ou d'amine 10-30 degrés Vapeur de NH3 15-25 degrés (faible) 70 mm Cuivre (le NH3 corrode l'acier inoxydable)
Extérieur, climat tempéré -10 à 40 degrés Humidité ambiante, pluie Variable 100 mm Cuivre avec boîtier de connexion résistant aux intempéries
Extérieur, climat froid -20 à 30 degrés Environnemental En dessous de 0 degré (glace) 120 mm (avec chauffage dans la boîte de jonction)Bornier chauffant pour cuivre
Chambre propre (produit pharmaceutique, semi-conducteur) filtrée HEPA de 20 à 25 degrés, sèche<10°C 50–70 mm Copper, nickel plated
Humide, humide, tropical 25-35 degrés, 90 % HR Humidité élevée 30-33 degrés 100 mm Cuivre avec boîte de connexion scellée
Conséquences d'une courte longueur de broche froide
Si les broches froides sont trop courtes (par exemple . 30-50 mm) pour l'environnement, les terminaux fonctionneront à froid (30-50 C dans une température ambiante de 30 C). Si la température du terminal est inférieure au point de rosée, l'humidité de l'air se condense sur les terminaux. Pour une température ambiante de 30 degrés et 80 % HR, le point de rosée est de 26 degrés. Les bornes à 30 degrés sont juste au-dessus du point de rosée. De la condensation existera sur les terminaux à 28 degrés. Dans les lignes de placage avec brouillards acides, l'humidité condensée capte du HCl ou du H₂SO₄, générant une solution acide conductrice sur les bornes. La corrosion électrochimique est rapide : les bornes en cuivre deviennent vertes ou noires, la résistance de contact augmente et la borne chauffe à cause des pertes I²R. Une terminaison corrodée peut atteindre des températures de 100 à 200 degrés, faire fondre l'isolation du fil et provoquer un incendie électrique ou un défaut à la terre. Les données de terrain des installations de galvanoplastie révèlent que les éléments chauffants dotés de broches froides de moins de 70 mm ont des taux de corrosion aux bornes 5 à 10 supérieurs à ceux dotés de broches de 100 mm. Les broches courtes échouent au bout de 12 à 24 mois ; les longues épingles survivent 5 à 8 ans.

Preuves de l'inspection d'une courte longueur de broche froide : produits de corrosion verts ou blancs sur les bornes, isolation des fils décolorée près de la connexion, serre-fils ou sertissages fondus, fonctionnement intermittent du chauffage (la connexion chauffe, la résistance augmente, le chauffage s'éteint ; la connexion refroidit, la résistance chute, le chauffage s'allume).

LANGAGE DES SPÉCIFICATIONS D'APPROVISIONNEMENT
Les ingénieurs spécifiant les réchauffeurs PFA doivent préciser les exigences suivantes en matière de broches froides :

Longueur minimale de la broche froide depuis la surface de la section froide PFA jusqu'à la pointe du terminal : ___ mm (à remplir en fonction de l'environnement : 70 mm général, 100 mm de brouillards acides, 120 mm de chlore ou HF, 150 mm de climat froid extérieur)

Matériau de la broche froide : Cuivre, nickelé (standard) ; cuivre plaqué or (pour brouillards acides); acier inoxydable 316 (pour Cl2 ou HF) ; Monel (pour HF à haute teneur en chlorure)

Diamètre de la broche froide. Cela doit être d'au moins 5 mm pour le cuivre, 6 mm pour l'acier inoxydable (pour conserver la résistance et la masse thermique)

Les broches froides doivent être scellées dans la section froide du PFA avec un joint moulé ou par compression pour empêcher la pénétration de vapeur le long de l'interface des broches.

La boîte de jonction doit être située avec les pointes des bornes à au moins 20 mm (3/4 po) au-dessus du fond de la boîte pour permettre à tout condensat de s'écouler des connexions.

Une option de modernisation possible pour les appareils de chauffage existants dont la longueur des broches froides est trop courte consiste à allonger la boîte de jonction avec une entretoise (de 50 à 100 mm de hauteur, en PVC, PP ou métal) qui éloigne les bornes du corps chaud en PFA. L'entretoise a augmenté la longueur effective de la broche froide sans modifier le chauffage. L'entretoise doit cependant être scellée à la partie froide du PFA pour empêcher la pénétration de vapeur. C'est moins fiable que de définir la longueur exacte dès le départ, mais peut prolonger la durée de vie de 1-2 ans dans des conditions non agressives.

Conclusion : Minimum 100 mm pour les environnements de vapeur agressifs
Pour une application industrielle typique, sélectionnez une longueur de broche froide de chauffage PFA d'au moins 70 mm. Pour les environnements de vapeur difficiles (brouillards acides, chlore, HF, ammoniac), spécifiez une longueur de broche froide de 100 à 120 mm. Cela empêchera la corrosion des condensats sur les connexions électriques. Les broches froides en cuivre plaqué nickel ou or ont une faible résistance électrique, mais nécessitent des longueurs plus longues (100-150 mm) pour fournir le gradient de température requis. Les broches en acier inoxydable sont plus courtes (40 à 70 mm conviennent) mais ont une résistance électrique plus élevée et sont nécessaires pour les utilisations Cl2 et HF lorsque le cuivre est corrodé. Les ingénieurs doivent faire correspondre la longueur, le matériau et les conditions environnementales de la broche froide. La dépense supplémentaire liée aux broches froides plus longues (coût marginal négligeable des matériaux) est faible par rapport au coût de la corrosion des bornes, de la défaillance des connexions et du risque d'incendie probable. Si un appareil de chauffage fonctionne correctement pendant 10 ans, mais qu'il présente ensuite une panne électrique due à des bornes corrodées après 2 ans, ce n'est pas un appareil de chauffage de bonne qualité. Il présente une panne standard de broche froide. Vérifiez la longueur de l'état. Vérifiez la conformité des réchauffeurs de réception. La broche froide est un élément modeste qui a un impact majeur sur la fiabilité. Ne vous contentez pas de le laisser défini sur les valeurs par défaut du fabricant.