How Does the Method of Mounting a Titanium Sheathed Heater (Flanged vs. Threaded Nipple) Change the Stress Distribution at the Cold Pin Junction When Subjected to Thermal Cycling from 20℃ to 180℃?

Základný kompromis pri montáži ohrievača pre vysoko-tepelný-cyklus
Titánové ohrievače sa často inštalujú cez steny nádrže buď pomocou prírubového spojenia (priskrutkovaného k zodpovedajúcej prírube) alebo závitovej vsuvky (naskrutkovanej do zváranej spojky). Studený kolíkový spoj, kde sa vnútorný odporový drôt spája s vonkajším elektrickým vedením, zažíva najväčšie tepelné namáhanie počas cyklovania z okolitej (20 stupňov) na procesnú teplotu (180 stupňov). Spôsob, akým je plášť namontovaný, ovplyvňuje spôsob, akým sa rozširuje a zmršťuje vzhľadom na pevnú stenu nádrže, a teda má priamy vplyv na spôsob, akým sa rozdeľuje napätie v tomto životne dôležitom mieste. Prírubový držiak poskytuje určitú radiálnu a axiálnu poddajnosť, ale závitová vsuvka pevne obmedzuje puzdro. Hrúbka steny ovplyvňuje spôsob montáže: Hrubšia stena zlepšuje axiálnu tuhosť a prenáša väčšie tepelné napätie na studený kolíkový spoj. Táto analýza porovnáva rozloženie napätia pre prírubovú a závitovú montáž a poskytuje návrhy na výber pre aplikácie s vysokoteplotným cyklom.

Vplyv na mechanickú integritu: Napätie studeného spoja
Pre titánový ohrievač s dĺžkou 500 mm je axiálna expanzia ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm pri zahriatí z 20 stupňov na 180 stupňov . Plášť je pevne uchytený v závitovom uchytení vsuvky na závitoch. Toto obmedzené roztiahnutie generuje axiálne tlakové napätie σ_axiálne=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Toto napätie sa okamžite prenesie na studený kolíkový spoj, kde sa puzdro zmení z vyhrievaného na nevyhrievané. Pre stenu s hrúbkou 1,0 mm je toto napätie pod medzou klzu 275 MPa, a tak vykazuje elastické správanie. Ale časté jazdenie spôsobuje únavu v kĺboch. Pre stenu s hrúbkou 1,8 mm je axiálne napätie 144 MPa (nezávisle na hrúbke steny pre tuhú väzbu), ale tuhosť v ohybe na spoji je vyššia, a preto je menšia schopnosť kompenzovať mierne odchýlky. Analýza konečných prvkov ukazuje, že faktor koncentrácie napätia na studenom kolíkovom spoji sa zvyšuje z 2,5 pre 1,0 mm stenu na 3,2 pre 1,8 mm stenu, so zodpovedajúcimi lokalizovanými maximálnymi napätiami 360 MPa a 460 MPa. Stena s hrúbkou 1,8 mm prekračuje lokálnu medzu klzu, čo má za následok plastickú deformáciu pri každom cykle a rýchle únavové zlyhanie.

Ohrievač je upevnený v prírubovom držiaku s tesnením, aj keď nie je pevne pripevnený. Príruba umožňuje, aby plášť trochu prekĺzol cez tesnenie, keď sa roztiahne. Trecia sila na tesnení (nie modul plného prierezu) odoláva expanzii a znižuje axiálne napätie faktorom 5–10 až 15–30 MPa. Napätie na studenom kolíkovom spoji je menšie ako 50 MPa, čo je v medziach pružnosti pre steny 1,0 mm aj 1,8 mm. Prírubový držiak v podstate oddeľuje tepelnú rozťažnosť od studeného kolíkového spojenia.

Vplyv na tepelný výkon: tepelné straty a poškodenie tesnenia
Spôsob montáže tiež ovplyvňuje prenos tepla na studenom kolíku. V závitovej vsuvke poskytuje kontakt kovu-na{2}}kov dobré vedenie tepla od plášťa k stene nádrže, chladí studený kolíkový spoj a udržiava elektrické tesnenie. Toto chladenie však znamená aj tepelné straty, ktoré znižujú účinnosť systému o 2–5 %. V prírubovom držiaku je tesnenie (PTFE alebo stlačené vlákno vo všeobecnosti) izolantom, ktorý znižuje tepelné straty na menej ako 1 %, ale umožňuje, aby studený kolíkový spoj fungoval teplejšie. Pre prevádzku pri 180 stupňoch môže mať studený kolík na prírubovom držiaku uhol 120-140 stupňov, čo vyžaduje vysokoteplotné olovené vodiče a silikónovú alebo sklolaminátovú izoláciu. Hrúbka steny tieto tepelné rozdiely príliš neovplyvňuje.

Ako si vybrať spôsob montáže: Syntéza obchodu-off
Typ montáže Hrúbka steny Vrcholové napätie pri studenom kolíku (cyklus 20 stupňov až 180 stupňov) Odporúčaná aplikácia Tepelná strata Únavová životnosť (cykly až do zlyhania)
Závitová vsuvka 1,0 mm 360 MPa (lokalizovaná) 5 000 – 10 000 cyklov 3 – 5 % Aplikácie s nízkym-cyklom (< 5,000 cycles) with thin wall.
Závitová vsuvka 1,8 mm 460 MPa (lokalizovaná) 1 000 – 2 000 cyklov 3 – 5 % Neodporúča sa - plastická deformácia za cyklus
Tesnenie príruby z PTFE Akékoľvek (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 cyklov < 1 % Uprednostňuje sa pre vysoko-cyklové alebo vysokoteplotné aplikácie.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 stupňov), kde sa rozkladá PTFE.
Technické rozširujúce slučky a flexibilné pripojenia za držiakom
Ak aplikácia vyžaduje montáž so závitom (t. j. dodatočnú montáž do existujúcich spojok), rúrka ohrievača obsahuje expanznú slučku (ohyb 180 stupňov) medzi vyhrievanou časťou a studeným kolíkovým spojom, aby mechanicky absorbovala tepelnú rozťažnosť a znížila napätie na studenom kolíku nezávisle od hrúbky steny. 90 stupňová krivka s polomerom 50 mm znižuje prenášané axiálne zaťaženie o 70 %. Alternatívne sa medzi ohrievačom a elektrickým krytom používa pružná kovová hadicová prípojka na izoláciu studeného kolíka od tepelných rozťažných síl.

ZÁVER: Prírubová montáž je preferovaná pre prevádzku s vysokým tepelným cyklom
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). Steny so závitom 1,8 mm majú únavovú životnosť iba 1 000 – 2 000 cyklov. Plášť s prírubovou montážou sa posúva cez tesnenie a maximálne napätie zostáva pod 50 MPa bez ohľadu na hrúbku steny, čo vedie k > 100 000 cyklom. Tam, kde je nevyhnutná inštalácia so závitom, použite tenkú stenu (menej alebo rovnú 1,0 mm) a dilatačnú slučku. Pre nové inštalácie, kde sa vyžaduje vysoká odolnosť pri tepelnom cyklovaní, je špecifikáciou voľby prírubový držiak s PTFE tesnením. Hrúbka steny sa nastavuje na základe požiadaviek na koróziu a tlak a nie na namáhanie spôsobené montážou.