Welche Auswirkungen hat eine enge Biegung auf den Innenwiderstandsdraht und seine elektrische Leistung?

Die PTFE-Hülle sieht von außen vielleicht in Ordnung aus, aber wenn der Widerstandsdraht im Inneren beim Biegen überbeansprucht wurde, entsteht im Inneren eine heiße Stelle. Die Biegung ist eine häufige Stelle für vorzeitiges Durchbrennen, und die Hauptursache ist oft eine mechanische Beschädigung des Drahtes, eine Beschädigung, die bei keiner noch so umfassenden Außeninspektion entdeckt werden kann. Für jeden, der geformte Tauchsieder in anspruchsvollen Industriebetrieben spezifiziert oder installiert, ist es von grundlegender Bedeutung, die Auswirkungen der Funktion eines eng gebogenen PTFE-Heizkörpers mit Innenwiderstand zu verstehen.

Reaktion des Innenwiderstandsdrahtes auf Biegung
Im Inneren jedes PTFE-Tauchsieders befindet sich ein Widerstandsdraht aus Metall. Als Legierung wird üblicherweise eine NiCr-Legierung (Nickel-Chrom) (Nichrom) verwendet. Der Draht ist das Herzstück der Heizung; Wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt, kommt es zu einer Widerstandserwärmung. Bei den meisten Konstruktionen ist der Draht zu einer perfekten Spiralspirale verdrillt oder als gerader, homogener Strang über die gesamte Länge des PTFE-Mantels verlegt.

Dann wird die Heizung in eine bestimmte Form gebogen. Anschließend wird der Widerstandsdraht in der gleichen Kurve gebogen. Die mechanische Reaktion des Drahtes ist eine Funktion der Position relativ zur Biegung:

An der Außenseite der Biegung - wird der Draht unter Spannung gesetzt. Wenn der Biegeradius groß genug ist, wird der Draht elastisch gedehnt und nimmt beim Nachlassen der Biegekraft wieder seine ursprüngliche Länge an. Wenn die Biegung jedoch zu stark ist, überschreitet der Draht seine Elastizitätsgrenze und erfährt eine dauerhafte plastische Verformung, die ihn lokal dünner macht.

Der Draht steht im Inneren der Biegung unter Druckspannung. Wenn Sie es stark biegen, wird der innere Kreis des Drahtes zusammengedrückt und der Draht wird knicken/knicken/bündeln. Bei einem spiralförmigen Drahtdesign können aufeinanderfolgende Windungen einander berühren oder ungleichmäßige Abstände aufweisen.

Die elektrischen Auswirkungen: Hot Spot und gestreckter Draht
Elektrische Ausfälle verschiedener Art entstehen durch enge Biegungen im Widerstandsdraht eines PTFE-Heizgeräts, was zu einer verminderten Leistung und einer kürzeren Lebensdauer führt.

Lokalisierte Widerstandserhöhung
Wenn der Draht gedehnt und nach außen gebogen wird, wird der Widerstandsdraht dünner und die Querschnittsfläche nimmt ab. Der elektrische Widerstand ist umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche, sodass ein dünnerer Abschnitt einen größeren Widerstand pro Längeneinheit hat. Diese lokale Widerstandserhöhung bedeutet, dass das gebogene Stück bei gleichem Strom, der durch die gesamte Heizung fließt, eine unverhältnismäßig größere Wärmemenge erzeugt (Leistung=I2R). Dadurch entsteht ein Hot Spot, ein winziger Teil des Heizgeräts, an dem die Temperatur viel höher ist als im Rest des Heizgeräts.

Auswirkungen von Hotspots
Ein Hotspot ist für eine Reihe von Ausfallmechanismen verantwortlich:

Oxidation des Widerstandsdrahtes - Je schneller die Oxidation der NiCr-Legierung, desto höher ist die Temperatur. Oxidation erhöht den Widerstand noch weiter und erzeugt eine positive Rückkopplungsschleife, die schließlich zu einem Durchschmelzen oder einem offenen Stromkreis führt.

Abbau der umgebenden PTFE-Hülle - PTFE kann kontinuierlich bei 110 Grad betrieben werden, obwohl eine heiße Stelle lokal über 200 Grad oder mehr liegen kann. Bei diesen Temperaturen beginnt sich das PTFE zu zersetzen, die Durchschlagsfestigkeit zu verlieren und möglicherweise korrosive Nebenprodukte freizusetzen. An der überbeanspruchten Biegung kann der Mantel weich werden, sich verformen oder reißen.

Durch Ermüdung-bedingte Reduzierung der Drahtlebensdauer
Wenn die plastische Verformung den gedehnten Draht auch beim Biegen nicht bricht, kommt es zu Spannungskonzentrationen. Der Draht schwillt an und zieht sich nach wiederholten Temperaturwechseln zusammen (Aufheizen auf Betriebstemperatur und Abkühlen wieder auf Umgebungstemperatur). Der unter Spannung stehende Bereich der Biegung ist einer zyklischen mechanischen Belastung ausgesetzt, was zu Ermüdungsversagen führt. Ein Draht, der in einer geraden Ausführung jahrelang hätte überdauern können, kann bei einer engen Biegung innerhalb von Monaten versagen.

Das Problem der Bündelung und des Kontakts zwischen Windungen
Bei Heizelementen mit gewickeltem Draht kann die enge Biegung an der Innenseite der Kurve dazu führen, dass die Spule zusammengedrückt wird, wodurch benachbarte Windungen in Kontakt kommen. Wenn sich die Windungen berühren, kann der elektrische Strom über die vorgesehene Wendel springen und so die aktive Länge des Drahtes in diesem Bereich verringern. Dies verringert den lokalen Widerstand (gegen den Effekt des gestreckten -Drahtes) – verursacht jedoch eine weitere Schwierigkeit – Stromstau und ungleiche Wärmeverteilung. Der Kontaktpunkt kann einen Lichtbogen bilden oder sich lokal erhitzen, wodurch wiederum ein heißer Punkt entsteht.

Tatsächlich könnten die elektrischen Widerstandsmessungen an den Heizklemmen zunächst normale Werte anzeigen. Bei einem Multimeter liegt der Widerstand des gesamten Kabels innerhalb der Spezifikation, sodass ein kleiner Hotspot nicht erkannt werden kann. In vielen Fällen tritt der Fehler nach einer Betriebsdauer auf, manchmal Hunderte von Stunden, manchmal nur wenige Tage, wenn der heiße Punkt schließlich den Draht durchschmilzt oder das beschädigte PTFE einen Kurzschluss zur Erde zulässt.

Interne Drahtintegrität nach Biegeprüfung
Der PTFE-Mantel ist nicht transparent, daher kann der Innendraht nicht visuell überprüft werden. Qualitätsbewusste-Hersteller nutzen Röntgeninspektion, um die Drahtanordnung innerhalb eines fertig gebogenen Heizgeräts zu analysieren. Ein Röntgenbild zeigt:

Gleichmäßiger Abstand der Spulenwindungen (keine Bündelung oder Trennung)

Keine Knicke, starke Biegungen oder Ausdünnung des Drahtes

Wiederholbarkeit der Drahtposition relativ zur Mittellinie der Hülle

Eine gut geformte Biegung behielt die ursprüngliche Drahtgeometrie durch Biegen mit beheiztem Dorn und Glühen nach der Biegung bei. Der Draht an der Außenseite der Biegung wird nicht über die Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht und der Draht an der Innenseite knickt nicht ein. Der Drahtabstand ist gleichmäßig, was dazu beiträgt, eine gleichmäßige Wärme über die gesamte Länge des Heizgeräts zu fördern.

Wie thermische Zyklen kleine Biegeschäden verschlimmern
Eine leicht zu fest angezogene Biegung des Heizgeräts kann dem ersten Einschalten und sogar mehreren Tagen Dauerbetrieb standhalten. Allerdings erhöhen thermische Zyklen (Heizen und Kühlen) den Schaden auf zwei Arten:

Differenzielle Ausdehnung - Der Draht und der PTFE-Mantel haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Jeder Zyklus erzeugt Scherspannungen am Drahtmantelkontakt, lokalisiert an der Biegung, an der der Draht bereits belastet ist.

Fortschreitende Oxidation - Wenn jeder Hotspot eine hohe Temperatur erreicht, entsteht eine kleine Oxidschicht auf dem Draht. Diese Oxidschicht ist weniger leitend und spröder. Schließlich wird der Draht so dünn und oxidiert, dass er aufbricht.

Wir haben aus praktischen Erfahrungen herausgefunden, dass ein Heizgerät, wenn es auf weniger als das 5- bis 6-fache des Außenradius gebogen wird, unter normalen Zyklusbedingungen in der Regel innerhalb von 3 bis 12 Monaten ausfällt, wohingegen ein identisches Heizgerät mit ausreichenden Biegungen 5 oder mehr Jahre hält.

Fazit: Elektrische Zuverlässigkeit ist mechanische Genauigkeit
Die langfristige elektrische Zuverlässigkeit basiert auf dem Schutz des inneren Widerstandsdrahtes vor Überbeanspruchung beim Biegen. Bei einer engen Biegung wird der Draht verdreht oder gebündelt, was zu lokalen heißen Stellen führt, die die Oxidation fördern, die PTFE-Hülle beschädigen und zu einem vorzeitigen Durchbrennen führen. Erste elektrische Tests können zwar bestanden werden, aber der verborgene Schaden zeigt sich im Betrieb immer.

Dieses Verständnis führt zu einer allgemeineren Schlussfolgerung, dass die Qualität der Heizung eine Kombination aus mechanischer Genauigkeit und elektrischer Leistung ist. Das Biegen mit erhitztem Dorn, das Glühen nach dem Biegen und die Röntgenprüfung sind spannungsfrei und nutzen die gleichen Produktionsverfahren, die die Integrität des inneren Widerstandsdrahts bewahren. Die Angabe eines minimalen Biegeradius reicht nicht aus, um den Draht zu schützen, Hotspots zu verhindern und die lange Lebensdauer zu gewährleisten, die industrielle Anwendungen erfordern.