Како метода монтаже грејача обложеног титанијумом (прирубница у односу на навојну брадавицу) мења дистрибуцију напона на споју хладног клина када је подвргнут термичком циклусу од 20 степени до 180 степени?

Основни компромис у монтажи грејача за високо{0}}термални- сервис
Грејачи обложени титанијумом се често уграђују кроз зидове резервоара користећи или прирубнички прикључак (причвршћен за одговарајућу прирубницу) или навојну брадавицу (ушрафљена у заварену спојницу). Хладни пин спој, где се жица унутрашњег отпора спаја са спољним електричним каблом, доживљава највећи термички стрес током циклуса од амбијенталне (20 степени) до температуре процеса (180 степени). Начин на који је омотач монтиран утиче на начин на који се шири и скупља у односу на фиксни зид резервоара и, на тај начин, има директан утицај на начин на који се напрезање распоређује у овој виталној тачки. Прирубнички носач обезбеђује извесну радијалну и аксијалну усклађеност, али навојна брадавица чврсто ограничава омотач. Дебљина зида је у интеракцији са методом монтаже: Дебљи зид побољшава аксијалну крутост и преноси веће термичко напрезање на хладну везу. Ова анализа упоређује расподеле напона за прирубничку и навојну монтажу и даје предлоге за избор за апликације циклуса високих температура.

Утицај на механички интегритет: напон у споју хладног клина
За грејач од титанијума дужине 500 мм, аксијално ширење је ΔЛ=× Л × ΔТ=8.6е-6 × 500 × 160=0.69 мм када се загреје од 20 степени до 180 степени. Плашт се чврсто држи у навојној брадавици на навојима. Ово ограничено ширење генерише аксијални напон притиска од σ_аксијални=Е × × ΔТ=105 ГПа × 8,6е-6 × 160=144 МПа. Ова напетост се одмах преноси на хладну спојницу где се омотач мења из загрејаног у негрејани. За зид од 1,0 мм, ово напрезање је испод границе течења од 275 МПа, и тако показује еластично понашање. Али често јахање производи замор у зглобу. За зид од 1,8 мм аксијални напон је 144 МПа (независно од дебљине зида за круто ограничење), али је крутост на савијање на споју већа, а самим тим и мања способност да се компензују мала неусклађеност. Анализа коначних елемената показује да се фактор концентрације напона на хладном споју клинова повећава са 2,5 за зид од 1,0 мм на 3,2 за зид од 1,8 мм, са одговарајућим локализованим вршним напонима од 360 МПа и 460 МПа. Зид од 1,8 мм премашује локалну границу течења, што доводи до пластичне деформације у сваком циклусу и брзог квара на замор.

Грејач је причвршћен у прирубнички носач са заптивком, иако није чврсто фиксиран. Прирубница омогућава да омотач мало проклизне кроз заптивку док се шири. Сила трења на заптивци (не пун модул пресека) опире се ширењу и смањује аксијални напон за фактор од 5–10 до 15–30 МПа. Напон на хладном споју игле је мањи од 50 МПа, што је унутар границе еластичности за зидове од 1,0 мм и 1,8 мм. Монтажа са прирубницом у суштини одваја топлотну експанзију од хладног споја игле.

Утицај на термичке перформансе: губитак топлоте и оштећење заптивки
Начин монтаже такође утиче на пренос топлоте на хладном клину. У навојној брадавици, контакт-на-метал даје добру топлотну проводљивост од омотача до зида резервоара, хладећи хладни спој игле и одржавајући електричну заптивку. Али ово хлађење такође значи губитак топлоте, што смањује ефикасност система за 2–5%. У прирубничком монтажи, заптивка (ПТФЕ или компримована влакна уопште) је изолатор, који смањује губитак топлоте на мање од 1%, али омогућава да хладни спој иглица ради топлије. За рад на 180 степени, хладни пин на прирубничком носачу може да буде 120-140 степени, захтевајући високотемпературне оловне жице и изолацију од силикона или фибергласа. Дебљина зида не утиче много на ове топлотне разлике.

Како одабрати метод монтаже: синтеза{0}}замена
Тип монтаже Дебљина зида Вршно напрезање на хладној осовини (циклус од 20 степени до 180 степени) Препоручена примена Губитак топлоте, век трајања (циклуси до отказа)
Навојна брадавица 1,0 мм 360 МПа (локализовано) 5.000 – 10.000 циклуса 3 – 5% Ниског-примена циклуса (< 5,000 cycles) with thin wall.
Навојна брадавица 1,8 мм 460 МПа (локализовано) 1.000 – 2.000 циклуса 3 – 5% Не препоручује се - пластична деформација по циклусу
ПТФЕ заптивка прирубнице Било која (1.0-1.8 мм) < 50 МПа > 100.000 циклуса < 1% Пожељно за апликације са високим{6}}циклусом или високом температуром.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 степени) где се ПТФЕ распада.
Инжењерске петље за проширење и флексибилне везе иза носача
Ако примена захтева монтажу са навојем (тј. накнадну уградњу у постојеће спојнице), цев грејача садржи петљу за проширење (савијање од 180 степени) између загрејаног дела и споја хладног клина да механички апсорбује топлотну експанзију и смањи напрезање на хладном клину независно од дебљине зида. Крива од 90 степени радијуса 50 мм смањује пренето аксијално оптерећење за 70%. Алтернативно, између грејача и електричног кућишта се користи флексибилно метално црево за изолацију хладне игле од сила топлотног ширења.

ЗАКЉУЧАК: Монтажа прирубнице је пожељна за рад са високим термичким циклусом
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 мм). Зидови са навојем од 1,8 мм имају век трајања од само 1.000-2.000 циклуса. Плашт са прирубницом клизи кроз заптивку и вршни напон остаје испод 50 МПа без обзира на дебљину зида, што резултира > 100.000 циклуса. Тамо где је инсталација са навојем неизбежна, користите танак зид (мањи или једнак 1,0 мм) и петљу за проширење. За нове инсталације где је потребна висока издржљивост под топлотним циклусом, спецификација избора је монтажа са прирубницом са ПТФЕ заптивком. Дебљина зида се подешава на основу захтева за корозијом и притиском, а не напрезања изазваног монтажом.