El agua desionizada (DI) tiene una conductividad eléctrica muy baja-normalmente entre 0,1 y 10 µS/cm, en comparación con los 500 y 1000 µS/cm del agua del grifo. En una situación de falla a tierra donde se rompe la funda de PFA y el elemento calefactor entra en contacto con agua DI, la corriente de fuga es mucho menor que en el agua del grifo debido a la alta resistividad del agua DI. Es posible que un GFCI (interruptor de circuito de falla a tierra) estándar de 30 mA no se active porque la corriente de fuga a través del agua desionizada puede ser solo de 5 a 15 mA-insuficiente para alcanzar el umbral de 30 mA. El calentador continúa funcionando con una falla latente y el núcleo metálico se corroe lentamente durante semanas o meses. Con el tiempo, los productos de corrosión pueden crear un camino conductor, o el núcleo puede fallar al abrirse, pero el retraso permite la contaminación del baño. Para los sistemas de agua DI, los umbrales de disparo del GFCI deben ser de 5 a 10 mA, no de 30 mA. Algunas jurisdicciones permiten 5 mA para la protección de equipos en fluidos de alta-resistividad.
Conductividad y corriente de fuga en agua DI
La corriente de fuga de un elemento calefactor expuesto (120 VCA) a tierra a través de agua desionizada es I=V / R, donde R es la resistencia del camino del agua. Resistencia R=ρ × L / A, donde ρ es la resistividad (Ω·cm), L es la longitud del camino (cm), A es-el área de la sección transversal (cm²). Para agua 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. Corriente de fuga I=120/10 000,000=0.012 mA-muy por debajo de cualquier umbral. Sin embargo, si el área expuesta es mayor (A=100 cm²) y el camino más corto (L=1 cm), R=1,000,000 × 1 / 100=10,000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Esto está por encima de 5 mA pero por debajo de 30 mA. Un GFCI de 30 mA no se dispararía; un GFCI de 5 mA se dispararía en 200 a 300 ms.
A medida que el núcleo del calentador se corroe, los iones metálicos (níquel, hierro, cromo) se disuelven en el agua desionizada, lo que aumenta la conductividad. Una pequeña falla que comienza en 12 mA puede crecer hasta 30 mA en 24 a 48 horas. Durante ese tiempo, el calentador continúa funcionando y los iones metálicos contaminan el agua DI. En sistemas DI semiconductores o farmacéuticos, incluso niveles de ppb de iones metálicos pueden arruinar el producto. Un GFCI de 5 mA se activa cuando la falla aún es pequeña, lo que minimiza la contaminación.
Comparación del umbral de disparo del GFCI para agua desionizada
| Tipo de agua | Conductividad (μS/cm) | Corriente de fuga típica de una falla pequeña (mA) | ¿Disparo GFCI de 30 mA? | ¿Disparo GFCI de 10 mA? | ¿Disparo GFCI de 5 mA? | Riesgo de falla no detectada |
|---|---|---|---|---|---|---|
| agua del grifo | 500 | 50–200 | Sí (inmediato) | Sí | Sí | Bajo |
| agua RO | 10–50 | 10–50 | A veces (marginal) | Sí (la mayoría de los casos) | Sí | Moderado |
| Agua DI (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Raro (solo fallas grandes) | A veces | Yes (for faults >5 mA) | Alto con 30 mA |
| DI ultra-pura (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | No | No (fallos<10 mA) | No (fallos<5 mA) | Muy alto (es posible que el GFCI nunca se dispare) |
Consideraciones especiales para DI ultra{0}}pura
En agua DI ultra-pura (18 MΩ·cm, utilizada en fábricas de semiconductores), las corrientes de fuga debidas a fallos del calentador suelen ser inferiores a 1 mA. Ni los GFCI de 30 mA ni los de 5 mA se dispararán. Para tales sistemas, el calentador debe diseñarse con múltiples barreras (p. ej., fundas dobles de PFA) o utilizar un método de calentamiento diferente (p. ej.,-calentador de cuarzo en línea). Algunas instalaciones utilizan monitoreo de resistencia de aislamiento (IRM) en lugar de GFCI: el sistema mide continuamente la resistencia entre el elemento calefactor y tierra. Cuando la resistencia cae por debajo de un umbral (por ejemplo, 10 MΩ para DI ultra-pura), suena una alarma. IRM puede detectar fallas que nunca activarían un GFCI porque la corriente de fuga es demasiado baja (¿0,5 mA a 120 V a 240 kΩ? Espere: I=120/10e6=0.012 mA). En realidad, 10 MΩ dan 0,012 mA, que es detectable mediante IRM sensible pero no mediante GFCI. Se utilizan umbrales IRM de 1 a 10 MΩ.
Para la mayoría de los sistemas de agua desionizada (no-semiconductores), la resistividad es de 0,5 a 5 MΩ·cm y los GFCI de 5 a 10 mA son efectivos. Para semiconductores DI ultra-puros, utilice IRM (alarma de 1 a 10 MΩ) más una construcción de doble-barrera.
Código y consideraciones jurisdiccionales
El artículo 426 del NEC (NFPA 70) exige protección contra fallas a tierra para equipos de calefacción eléctrica fijos. Para calentadores sumergibles, el umbral máximo de disparo es de 30 mA para protección del personal. Sin embargo, el artículo 427 permite umbrales más bajos (tan bajos como 5 mA) para la protección de equipos cuando la protección del personal no es la preocupación principal (por ejemplo, calentadores en áreas accesibles pero sin contacto con el -usuario-. Para sistemas de agua DI, especifique "GFCI de protección de equipos" con un umbral de disparo de 5 a 10 mA. En algunas jurisdicciones, se requiere un GFCI de 5 mA para cualquier calentador en agua con una conductividad inferior a 100 µS/cm. Verifique los códigos locales.
Para actualizar tanques de agua DI existentes con GFCI de 30 mA, reemplácelos con GFCI de 5 mA. Las unidades son intercambiables (mismo factor de forma) y cuestan entre 50 y 100 dólares, mucho menos que el costo de un solo evento de contaminación.
Ejemplo de campo
El circuito de pulido con agua DI de una fábrica de semiconductores utilizaba calentadores de PFA con GFCI de 30 mA. Durante 2 años, tres calentadores desarrollaron pequeñas fallas a tierra (corriente de fuga de 10 a 20 mA) que no activaron los GFCI de 30 mA. Los operadores no notaron ninguna alarma. Los iones metálicos (hierro, níquel) se filtraron en el agua DI, aumentando la resistividad de 18 MΩ·cm a 2 MΩ·cm y contaminando un lote de obleas. La fábrica cambió a GFCI de 5 mA. Las fallas posteriores del calentador se activaron inmediatamente a 5 mA, lo que limitó la contaminación a niveles insignificantes. La fábrica también agregó IRM con un umbral de alarma de 10 MΩ para bucles ultra-puros.
Conclusión: utilice GFCI de 5 a 10 mA para agua desionizada
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), utilice monitoreo de resistencia de aislamiento en lugar de GFCI. El costo de un GFCI de 5 mA es mínimo en comparación con el costo de la contaminación. No envíe un calentador PFA para servicio de agua DI con un GFCI de 30 mA. Especificar más bajo. Viaje temprano, viaje con frecuencia. Proteger el baño, proteger el producto.
