Το υλικό έχει σημασία – Γιατί τα κράματα θηκών κάνουν ή σπάζουν την απόδοση του θερμαντήρα κρυογονικών κασετών
Μια κοινή παρανόηση στη βιομηχανία θέρμανσης είναι ότι ένας θερμαντήρας φυσιγγίων είναι ένας θερμαντήρας φυσιγγίων. Το ένα μοιάζει πολύ με το άλλο και εάν η ισχύς και η τάση ταιριάζουν, η εφαρμογή θα πρέπει να λειτουργεί. Αυτή η υπόθεση αποτυγχάνει θεαματικά όταν το περιβάλλον λειτουργίας περιλαμβάνει υγρό άζωτο ή άλλα κρυογονικά υγρά. Οι επιλογές υλικών που περιλαμβάνονται σε ένα θερμαντήρα φυσιγγίων καθορίζουν όχι μόνο πόσο θα διαρκέσει, αλλά και αν θα αντέξει καθόλου την πρώτη τροφοδοσία-με τον κύκλο.
Η θήκη είναι η πρώτη γραμμή άμυνας και παίρνει το μεγαλύτερο βάρος της θερμικής τιμωρίας στην κρυογονική υπηρεσία. Ο ανοξείδωτος χάλυβας Standard 304, ο οποίος χρησιμεύει αξιοθαύμαστα σε αμέτρητες βιομηχανικές εφαρμογές θέρμανσης, γίνεται υποχρέωση σε θερμοκρασίες υγρού αζώτου. Η όλκιμο-σε-θερμοκρασία μετάβασης των 304 ανοξείδωτων βρίσκεται πολύ πάνω από τους μείον 196 βαθμούς Κελσίου. Όταν ένας θερμαντήρας με θήκη 304 ξεκινά από το κρυογονικό κρύο, η ταχεία άνοδος της θερμοκρασίας δημιουργεί τάσεις θερμικής διαστολής που το τώρα-εύθραυστο υλικό δεν μπορεί να φιλοξενήσει. Σχηματίζονται ρωγμές. Η θήκη αποτυγχάνει. Η θερμάστρα έχει γίνει.
Τα εξειδικευμένα κράματα κάνουν τη διαφορά. Το Inconel 625, ένα υπερκράμα νικελίου-χρωμίου-μολυβδαινίου, διατηρεί την ολκιμότητα και την αντοχή του από κρυογονικές θερμοκρασίες μέχρι τους 980 βαθμούς Κελσίου. Η αντοχή του στην κόπωση παραμένει εξαιρετική ακόμη και σε θερμοκρασίες υγρού αζώτου. Η περιεκτικότητα σε νικέλιο παρέχει αντίσταση στη διάβρωση λόγω καταπόνησης χλωρίου, το χρώμιο προσθέτει αντίσταση στην οξείδωση και το μολυβδαίνιο αποτρέπει τη διάβρωση με κοιλότητες και ρωγμές. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το Inconel 625 ιδιαίτερα κατάλληλο-για εφαρμογές όπου ο θερμαντήρας κυκλώνει επανειλημμένα μεταξύ κρυογονικών και υψηλών θερμοκρασιών.
Το Inconel 600 είναι ένα άλλο κράμα που καθορίζεται συχνά για τις θήκες θερμαντικών δοχείων κρυογονικού φυσιγγίου. Προσφέρει παρόμοια ολκιμότητα-σε χαμηλή θερμοκρασία και αντοχή στη διάβρωση, αν και με ελαφρώς διαφορετικά χαρακτηριστικά απόδοσης σε όλο το εύρος θερμοκρασίας. Η επιλογή μεταξύ Inconel 600 και 625 εξαρτάται συνήθως από το συγκεκριμένο χημικό περιβάλλον και τη μέγιστη θερμοκρασία που θα φτάσει ο θερμαντήρας κατά τη λειτουργία.
Το εσωτερικό μονωτικό υλικό αξίζει την ίδια προσοχή. Η σκόνη οξειδίου του μαγνησίου, συμπιεσμένη σε υψηλή πυκνότητα, παρέχει την ηλεκτρική μόνωση και τη θερμική αγωγιμότητα στην οποία βασίζονται οι θερμαντήρες φυσιγγίων. Αλλά δεν είναι όλα τα οξείδια του μαγνησίου ίσα. Για την κρυογονική υπηρεσία, η καθαρότητα και η πυκνότητα συμπίεσης γίνονται κρίσιμοι παράγοντες. Οι τεχνικές συμπίεσης υψηλής-πυκνότητας που επιτυγχάνουν πυκνότητες που υπερβαίνουν τα 3,2 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό είναι απαραίτητες για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητας σε ακραίες θερμοκρασίες. Οι χαμηλότερες πυκνότητες συμπίεσης αφήνουν κενά που μπορούν να παγιδεύσουν την υγρασία, η οποία παγώνει και διαστέλλεται σε κρυογονικές θερμοκρασίες, σπάζοντας τη μόνωση από μέσα.
Ο τύπος του οξειδίου του μαγνησίου έχει επίσης σημασία. Διαφορετικές ποιότητες διαμορφώνονται για διαφορετικά εύρη θερμοκρασίας. Τα σκευάσματα οξειδίου του μαγνησίου χαμηλής-θερμοκρασίας, μεσαίας-θερμοκρασίας και υψηλής-θερμοκρασίας έχουν το καθένα τη θέση του. Για κρυογονικές εφαρμογές που θα δουν μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας, η μόνωση πρέπει να διατηρεί τη διηλεκτρική της αντοχή και τη θερμική αγωγιμότητα σε όλο το εύρος λειτουργίας. Το τυπικό οξείδιο του μαγνησίου που έχει τέλεια απόδοση σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να υποστεί ανεπαίσθητες κρυσταλλικές αλλαγές σε κρυογονικές θερμοκρασίες που θέτουν σε κίνδυνο τις μονωτικές του ιδιότητες.
Η τεχνολογία στεγανοποίησης είναι ένας άλλος τομέας όπου οι επιλογές υλικών έχουν τεράστια σημασία. Οι τυπικοί θερμαντήρες με απλές στεγανοποιήσεις επιτρέπουν τη σταδιακή εισροή υγρασίας που προκαλεί απρόβλεπτη αστοχία στην κρυογονική υπηρεσία. Η ερμητική στεγανοποίηση με χρήση γυάλινων-σε-μεταλλικών ή κεραμικών κατασκευών, σε συνδυασμό με εσωτερικές συσκευές συλλογής υγρασίας, διατηρεί το στεγνό εσωτερικό περιβάλλον απαραίτητο για την αξιοπιστία. Ορισμένοι κατασκευαστές premium χρησιμοποιούν συνδέσεις κεραμικών-σε-μετάλλων ή εξειδικευμένες εποξειδικές ενώσεις που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για κρυογονική λειτουργία.
Το ίδιο το σύρμα αντίστασης πρέπει να επιλεγεί έχοντας κατά νου την κρυογονική λειτουργία. Ενώ το νικέλιο-χρώμιο 80/20 είναι το βιομηχανικό πρότυπο, η αντίστασή του μειώνεται σημαντικά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό σημαίνει ότι ο θερμαντήρας θα τραβήξει περισσότερο ρεύμα και θα παράγει περισσότερη ισχύ κατά την κρύα εκκίνηση-από ό,τι σε θερμοκρασία δωματίου. Το σύρμα πρέπει να έχει μέγεθος και διαβάθμιση ώστε να χειρίζεται αυτές τις παροδικές υπερφορτώσεις χωρίς υπερθέρμανση ή υποβάθμιση. Ορισμένα εξειδικευμένα σχέδια χρησιμοποιούν διαφορετικά κράματα αντίστασης που έχουν πιο σταθερούς συντελεστές θερμοκρασίας σε όλη την κρυογονική περιοχή.
Με βάση τις επιτόπιες παρατηρήσεις στους κλάδους της φαρμακευτικής και της αεροδιαστημικής κατασκευής, οι αστοχίες σε θερμαντήρες κρυογονικών φυσιγγίων συνήθως προέρχονται από θεμελιώδεις παρεξηγήσεις σχετικά με το πώς το υπερβολικό κρύο μετασχηματίζει τις ιδιότητες του υλικού. Ένας θερμαντήρας φυσιγγίων που λειτουργεί τέλεια σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να αποτύχει καταστροφικά εντός ημερών στους μείον 180 βαθμούς, με ρωγμές στο περίβλημα να εμφανίζονται σχεδόν αμέσως μετά την εφαρμογή του ρεύματος. Η λύση είναι να προσδιορίσετε υλικά που είναι αποδεδειγμένα για το πλήρες εύρος θερμοκρασίας που θα βιώσει ο θερμαντήρας, όχι μόνο για τη σταθερή-θερμοκρασία λειτουργίας. Αυτό σημαίνει ότι λαμβάνετε υπόψη την ολκιμότητα του κράματος στη χαμηλότερη θερμοκρασία, τη σταθερότητα της μόνωσης καθ' όλη τη διάρκεια του θερμικού κύκλου, την ικανότητα του στεγανοποιητικού να αποκλείει την υγρασία και τη συμπεριφορά του σύρματος αντίστασης υπό συνθήκες ψυχρής εκκίνησης-.
