Hogyan változtatja meg a titán burkolatú fűtőelem (karimás vs. menetes mellbimbó) felszerelésének módja a feszültségeloszlást a hidegcsap csatlakozásánál, ha hőciklusnak van kitéve, 20 fokról 180 fokra?

Alapvető kompromisszum a fűtőberendezés felszerelésében a magas{0}}termikus-ciklusú szolgáltatáshoz
A titán burkolatú fűtőtesteket gyakran a tartály falán keresztül szerelik be karimás csatlakozással (a megfelelő karimához csavarozva), vagy menetes csatlakozóval (hegesztett tengelykapcsolóba csavarva). A hidegcsapos csomópont, ahol a belső ellenálláshuzal csatlakozik a külső elektromos vezetékhez, a legnagyobb hőterhelést tapasztalja a környezeti hőmérsékletről (20 fok) a folyamat hőmérsékletére (180 fok) történő váltás során. A burkolat felszerelésének módja befolyásolja azt a módot, ahogyan kitágul és összehúzódik a tartály rögzített falához képest, és így közvetlen hatással van arra, ahogyan a feszültség eloszlik ebben a létfontosságú pontban. A karimás rögzítés bizonyos sugárirányú és axiális illeszkedést biztosít, de a menetes mellbimbó mereven korlátozza a hüvelyt. A falvastagság kölcsönhatásba lép a szerelési módszerrel: A vastagabb fal javítja az axiális merevséget és nagyobb hőterhelést ad át a hidegcsapos csatlakozásnak. Ez az elemzés összehasonlítja a karimás és menetes szerelés feszültségeloszlását, és kiválasztási javaslatokat ad a magas hőmérsékletű ciklusos alkalmazásokhoz.

Hatás a mechanikai integritásra: Hidegcsap-csatlakozási feszültség
Egy 500 mm hosszú titán fűtőtestnél a tengelyirányú tágulás ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm, ha 20 fokról 180 fokra melegítik. A hüvelyt szorosan egy menetes bimbótartóban tartják a meneteknél. Ez a korlátozott tágulás σ_axiális=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa axiális nyomófeszültséget generál. Ez a feszültség azonnal átkerül a hidegcsapos csatlakozásra, ahol a burkolat fűtöttről fűtetlenre változik. 1,0 mm-es falnál ez a feszültség a 275 MPa folyáshatár alatt van, így rugalmas viselkedést mutat. De a gyakori lovaglás fáradtságot okoz az ízületben. Egy 1,8 mm-es falnál az axiális feszültség 144 MPa (merev kényszer esetén a falvastagságtól függetlenül), de a hajlítási merevség a csomópontnál nagyobb, így kisebb az enyhe eltolódások kompenzálása. Egy végeselem-elemzés azt mutatja, hogy a feszültségkoncentrációs tényező a hidegcsapos csomópontnál 2,5-ről az 1,0 mm-es falnál 3,2-re nő az 1,8 mm-es falnál, a megfelelő lokalizált csúcsfeszültségek 360 MPa és 460 MPa. Az 1,8 mm-es fal meghaladja a helyi folyáshatárt, ami minden ciklusban képlékeny deformációt és gyors kifáradást eredményez.

A fűtőelem karimás tartóba van rögzítve tömítéssel, bár nincs mereven rögzítve. A karima lehetővé teszi, hogy a hüvely egy kicsit átcsússzon a tömítésen, amikor kitágul. A tömítésen lévő súrlódási erő (nem a teljes szakasz modulusa) ellenáll a tágulásnak, és 5-10-szeresére csökkenti az axiális feszültséget 15-30 MPa-ra. A hidegcsapos csatlakozásnál a feszültség kisebb, mint 50 MPa, ami az 1,0 mm-es és az 1,8 mm-es falak rugalmassági határán belül van. A karimás rögzítés lényegében leválasztja a hőtágulást a hidegcsapos csatlakozásról.

Hőteljesítményre gyakorolt ​​hatás: hőveszteség és a tömítés károsodása
A rögzítési mód is befolyásolja a hőátadást a hidegcsapnál. A menetes csatlakozóban a fém---fém érintkezés jó hővezetést biztosít a köpenytől a tartály faláig, lehűti a hidegcsapos csatlakozást és fenntartja az elektromos tömítést. De ez a hűtés hőveszteséggel is jár, ami 2-5%-kal csökkenti a rendszer hatékonyságát. A karimás rögzítésben a tömítés (általában a PTFE vagy sűrített szál) szigetelő, amely 1% alá csökkenti a hőveszteséget, de lehetővé teszi a hidegcsap csatlakozásának melegebb működését. 180 fokos működéshez a karimás tartón a hidegcsap 120-140 fokos lehet, magas hőmérsékletű ólomhuzalokra és szilikon vagy üvegszálas szigetelésre van szükség. A falvastagság nem nagyon befolyásolja ezeket a hőkülönbségeket.

Hogyan válasszunk szerelési módot: A kereskedelem szintézise-ki
Rögzítési típus Falvastagság Csúcsfeszültség a hidegcsapnál (20°-tól 180°-ig terjedő ciklus) Javasolt alkalmazás hőveszteség, fáradásos élettartam (ciklusok a meghibásodásig)
Menetes csatlakozó 1,0 mm 360 MPa (lokalizált) 5000 – 10000 ciklus 3 – 5% Alacsony-ciklusú alkalmazások (< 5,000 cycles) with thin wall.
Menetes mellbimbó 1,8 mm 460 MPa (lokalizált) 1000 – 2000 ciklus 3 – 5% Nem ajánlott - plasztikus deformáció ciklusonként
PTFE karimatömítés Bármilyen (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 ciklus < 1% Előnyben részesített nagy-ciklusú vagy magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 fok), ahol a PTFE lebomlik.
Mérnöki bővítési hurkok és rugalmas csatlakozások a tartón túl
Ha az alkalmazás menetes rögzítést igényel (azaz utólagos beépítést a meglévő csatlakozókba), a fűtőcső tágulási hurkot (180 fokos hajlítást) tartalmaz a fűtött szakasz és a hidegcsap csatlakozás között, hogy mechanikusan elnyelje a hőtágulást és csökkentse a hidegcsapon a falvastagságtól független feszültséget. Az 50 mm sugarú 90 fokos görbe 70%-kal csökkenti az átvitt axiális terhelést. Alternatív megoldásként egy hajlékony fémtömlőcsatlakozást alkalmaznak a fűtőelem és az elektromos ház között, hogy elszigeteljék a hidegcsapot a hőtágulási erőktől.

KÖVETKEZTETÉS: A karimás rögzítést előnyben részesítik a magas hőciklusú szolgáltatáshoz
We demonstrate that a flanged mount with a compliant gasket reduces the tension at the cold pin junction of a titanium encased heater with thermal cycling from 20$^\circ$C to 180$^\circ$C as compared to a threaded nipple. The rigid restriction in the threaded mount induces an axial compressive stress of 144 MPa, which combined with stress concentration factors of 2.5-3.2 leads to localized yielding at the cold pin for thick walls (>=1.5 mm). Az 1,8 mm-es menetes falak kifáradási élettartama mindössze 1000-2000 ciklus. A karimás rögzítésű köpeny átcsúszik a tömítésen, és a csúcsfeszültség a falvastagságtól függetlenül 50 MPa alatt marad, ami > 100 000 ciklust eredményez. Ahol elkerülhetetlen a menetes beépítés, használjon vékony falat (1,0 mm vagy annál kisebb) és tágulási hurkot. Az olyan új telepítéseknél, ahol a hőciklus során nagy tartósság szükséges, a választható specifikáció egy karimás rögzítés PTFE tömítéssel. A falvastagság beállítása a korróziós és nyomási követelmények, nem pedig a szerelés okozta feszültség alapján történik.