L'acqua deionizzata (DI) ha una conduttività elettrica molto bassa-tipicamente 0,1–10 µS/cm, rispetto a 500–1.000 µS/cm dell'acqua del rubinetto. In una situazione di guasto verso terra in cui la guaina in PFA viene rotta e l'elemento riscaldante entra in contatto con l'acqua DI, la corrente di dispersione è molto inferiore rispetto all'acqua del rubinetto a causa dell'elevata resistività dell'acqua DI. Un GFCI (interruttore di circuito per guasto a terra) standard da 30 mA potrebbe non scattare perché la corrente di dispersione attraverso l'acqua DI potrebbe essere solo 5–15 mA-insufficiente per raggiungere la soglia di 30 mA. Il riscaldatore continua a funzionare con un guasto latente e il nucleo metallico si corrode lentamente nel corso di settimane o mesi. Alla fine, i prodotti della corrosione potrebbero creare un percorso conduttivo, oppure il nucleo potrebbe non aprirsi, ma il ritardo consente la contaminazione del bagno. Per i sistemi con acqua DI, le soglie di intervento GFCI devono essere 5–10 mA, non 30 mA. Alcune giurisdizioni consentono 5 mA per la protezione delle apparecchiature in fluidi ad alta-resistività.
Conduttività e corrente di dispersione nell'acqua DI
La corrente di dispersione da un elemento riscaldante esposto (120 V CA) a terra attraverso l'acqua DI è I=V / R, dove R è la resistenza del percorso dell'acqua. Resistenza R=ρ × L / A, dove ρ è la resistività (Ω·cm), L è la lunghezza del percorso (cm), A è l'area della sezione trasversale (cm²). Per acqua DI con 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 di dispersione I=120 / 10.000,000=0.012 mA-molto al di sotto di qualsiasi soglia. Tuttavia, se l'area esposta è maggiore (A=100 cm²) e il percorso più breve (L=1 cm), R=1.000.000 × 1 / 100=10.000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Questo è superiore a 5 mA ma inferiore a 30 mA. Un GFCI da 30 mA non scatterebbe; un GFCI da 5 mA scatterebbe entro 200–300 ms.
Quando il nucleo del riscaldatore si corrode, gli ioni metallici (nichel, ferro, cromo) si dissolvono nell'acqua deionizzata, aumentando la conduttività. Un piccolo guasto che inizia a 12 mA può aumentare fino a 30 mA in 24–48 ore. Durante questo periodo, il riscaldatore continua a funzionare e gli ioni metallici contaminano l'acqua DI. Nei sistemi DI semiconduttori o farmaceutici, anche i livelli ppb di ioni metallici possono rovinare il prodotto. Un GFCI da 5 mA scatta quando il guasto è ancora piccolo, riducendo al minimo la contaminazione.
Confronto delle soglie di intervento GFCI per l'acqua DI
| Tipo di acqua | Conduttività (μS/cm) | Corrente di dispersione tipica da piccolo guasto (mA) | Scatto GFCI da 30 mA? | Scatto GFCI 10 mA? | Scatto GFCI da 5 mA? | Rischio di guasto non rilevato |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Acqua del rubinetto | 500 | 50–200 | Sì (immediato) | SÌ | SÌ | Basso |
| Acqua RO | 10–50 | 10–50 | A volte (marginale) | Sì (nella maggior parte dei casi) | SÌ | Moderare |
| Acqua DI (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Raro (solo difetti gravi) | A volte | Yes (for faults >5mA) | Alto con 30 mA |
| DI ultra-puro (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | NO | No (difetti<10 mA) | No (difetti<5 mA) | Molto alto (il GFCI potrebbe non scattare mai) |
Considerazioni speciali per Ultra-Pure DI
Nell'acqua DI ultra-pura (18 MΩ·cm, utilizzata nelle fabbriche di semiconduttori), le correnti di dispersione dovute ai guasti del riscaldatore sono generalmente inferiori a 1 mA. Né il GFCI da 30 mA né quello da 5 mA scatteranno. Per tali sistemi, il riscaldatore deve essere progettato con più barriere (ad esempio, doppie guaine in PFA) o utilizzare un metodo di riscaldamento diverso (ad esempio, riscaldatore al quarzo in-linea). Alcune strutture utilizzano il monitoraggio della resistenza di isolamento (IRM) invece del GFCI: il sistema misura continuamente la resistenza tra l'elemento riscaldante e la terra. Quando la resistenza scende al di sotto di una soglia (ad esempio, 10 MΩ per DI ultra-puro), suona un allarme. L'IRM è in grado di rilevare guasti che non farebbero mai scattare un GFCI perché la corrente di dispersione è troppo bassa (0,5 mA a 120 V fino a 240 kΩ? Attendere: I=120/10e6=0.012 mA). In realtà, 10 MΩ danno 0,012 mA, che è rilevabile dall'IRM sensibile ma non dal GFCI. Vengono utilizzate soglie IRM di 1–10 MΩ.
Per la maggior parte dei sistemi di acqua DI (non-semiconduttori), la resistività è di 0,5–5 MΩ·cm e sono efficaci GFCI da 5–10 mA. Per i DI ultra-puri a semiconduttore, utilizza l'IRM (allarme a 1–10 MΩ) più la struttura a doppia-barriera.
Codice e considerazioni giurisdizionali
NEC (NFPA 70) L'articolo 426 richiede la protezione dai guasti verso terra per le apparecchiature di riscaldamento elettrico fisse. Per i riscaldatori sommersi, la soglia di intervento massima è 30 mA per la protezione del personale. Tuttavia, l'Articolo 427 consente soglie inferiori (fino a 5 mA) per la protezione delle apparecchiature laddove la protezione del personale non è la preoccupazione principale (ad esempio, riscaldatori in aree accessibili ma senza-utente-a contatto). Per i sistemi con acqua DI, specificare "protezione apparecchiatura GFCI" con soglia di intervento di 5–10 mA. In alcune giurisdizioni, è richiesto un GFCI da 5 mA per qualsiasi riscaldatore in acqua con conduttività inferiore a 100 µS/cm. Controlla i codici locali.
Per aggiornare i serbatoi dell'acqua DI esistenti con GFCI da 30 mA, sostituirli con GFCI da 5 mA. Le unità sono intercambiabili (stesso fattore di forma) e costano dai 50 ai 100 dollari, molto meno del costo di un singolo evento di contaminazione.
Esempio di campo
Il circuito di lucidatura dell'acqua DI di una fabbrica di semiconduttori utilizzava riscaldatori PFA con GFCI da 30 mA. Nel corso di 2 anni, tre riscaldatori hanno sviluppato piccoli guasti a terra (corrente di dispersione 10–20 mA) che non hanno fatto scattare i GFCI da 30 mA. Gli operatori non hanno notato allarmi. Gli ioni metallici (ferro, nichel) sono penetrati nell'acqua DI, aumentando la resistività da 18 MΩ·cm a 2 MΩ·cm e contaminando un lotto di wafer. Il laboratorio è passato ai GFCI da 5 mA. I successivi guasti del riscaldatore sono scattati immediatamente a 5 mA, limitando la contaminazione a livelli trascurabili. L'azienda ha anche aggiunto l'IRM con soglia di allarme di 10 MΩ per loop ultra-puri.
Conclusione: utilizzare GFCI da 5–10 mA per acqua 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), utilizzare il monitoraggio della resistenza di isolamento invece del GFCI. Il costo di un GFCI da 5 mA è minimo rispetto al costo della contaminazione. Non spedire un riscaldatore PFA per il servizio di acqua DI con un GFCI da 30 mA. Specificare inferiore. Viaggia presto, viaggia spesso. Proteggi il bagno, proteggi il prodotto.
