Πώς αλλάζει η μέθοδος τοποθέτησης ενός θερμαντήρα με θήκη τιτανίου (φλαντζωτή έναντι θηλής με σπείρωμα) την κατανομή της πίεσης στη διασταύρωση κρύου πείρου όταν υποβάλλεται σε θερμική ανακύκλωση από 20 μοίρες σε 180 μοίρες;

Ο βασικός συμβιβασμός στην τοποθέτηση ενός θερμαντήρα για υπηρεσία υψηλής-θερμικής-υψηλού κύκλου
Οι θερμαντήρες με περίβλημα τιτανίου εγκαθίστανται συχνά μέσω των τοίχων της δεξαμενής χρησιμοποιώντας είτε μια σύνδεση με φλάντζα (βιδωμένη σε μια αντίστοιχη φλάντζα) είτε μια θηλή με σπείρωμα (βιδωμένη σε συγκολλημένο σύνδεσμο). Η διασταύρωση κρύου πείρου, όπου το σύρμα εσωτερικής αντίστασης ενώνεται με το εξωτερικό ηλεκτρικό καλώδιο, βιώνει τη μεγαλύτερη θερμική καταπόνηση κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης από το περιβάλλον (20 μοίρες) στη θερμοκρασία επεξεργασίας (180 μοίρες). Ο τρόπος με τον οποίο τοποθετείται το περίβλημα επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο διαστέλλεται και συστέλλεται σε σχέση με το σταθερό τοίχωμα της δεξαμενής και, επομένως, έχει άμεση επίδραση στον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται η τάση σε αυτή τη ζωτική συναρμογή. Η βάση με φλάντζα παρέχει κάποια ακτινική και αξονική συμμόρφωση, αλλά η θηλή με σπείρωμα περιορίζει άκαμπτα τη θήκη. Το πάχος του τοιχώματος αλληλεπιδρά με τη μέθοδο τοποθέτησης: Το παχύτερο τοίχωμα βελτιώνει την αξονική ακαμψία και μεταδίδει μεγαλύτερη θερμική καταπόνηση στη σύνδεση κρύου πείρου. Αυτή η ανάλυση συγκρίνει τις κατανομές τάσεων για στερέωση με φλάντζα και σπειρώματα και παρέχει προτάσεις επιλογής για εφαρμογές κύκλου υψηλής θερμοκρασίας.

Επίδραση στη μηχανική ακεραιότητα: Τάση διασταύρωσης κρύου πείρου
Για θερμαντήρα τιτανίου μήκους 500 mm, η αξονική διαστολή είναι ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm όταν θερμαίνεται από 20 βαθμούς σε 180 μοίρες . Το θηκάρι συγκρατείται σφιχτά σε μια βάση θηλής με σπείρωμα στα νήματα. Αυτή η περιορισμένη διαστολή δημιουργεί μια αξονική θλιπτική τάση σ_αξονικής=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Αυτή η τάση μεταφέρεται αμέσως στη διασταύρωση κρύου πείρου όπου το περίβλημα αλλάζει από θερμαινόμενο σε μη θερμαινόμενο. Για τοίχο 1,0 mm, αυτή η τάση είναι κάτω από την αντοχή διαρροής των 275 MPa, και έτσι δείχνει ελαστική συμπεριφορά. Αλλά η συχνή ιππασία προκαλεί κόπωση στην άρθρωση. Για τοίχο 1,8 mm η αξονική τάση είναι 144 MPa (ανεξάρτητη από το πάχος του τοιχώματος για άκαμπτο περιορισμό) αλλά η ακαμψία κάμψης στη διασταύρωση είναι μεγαλύτερη, επομένως λιγότερη ικανότητα αντιστάθμισης ελαφρών παραμορφώσεων. Μια ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων δείχνει ότι ο συντελεστής συγκέντρωσης τάσης στη διασταύρωση ψυχρού πείρου αυξάνεται από 2,5 για το τοίχωμα 1,0 mm σε 3,2 για το τοίχωμα 1,8 mm, με αντίστοιχες τοπικές τάσεις κορυφής 360 MPa και 460 MPa. Το τοίχωμα 1,8 mm υπερβαίνει την τοπική αντοχή διαρροής, με αποτέλεσμα την πλαστική παραμόρφωση κάθε κύκλου και την ταχεία αστοχία κόπωσης.

Ο θερμαντήρας στερεώνεται σε φλάντζα με φλάντζα, αν και δεν στερεώνεται άκαμπτα. Η φλάντζα επιτρέπει στο περίβλημα να γλιστρήσει λίγο μέσα από τη φλάντζα καθώς διαστέλλεται. Η δύναμη τριβής στο παρέμβυσμα (όχι το μέτρο πλήρους διατομής) αντιστέκεται στη διαστολή και μειώνει την αξονική τάση κατά έναν παράγοντα 5–10 έως 15–30 MPa. Η τάση στη διασταύρωση κρύου πείρου είναι μικρότερη από 50 MPa, η οποία είναι εντός του ορίου ελαστικότητας για τοίχους 1,0 mm και 1,8 mm. Η βάση με φλάντζα ουσιαστικά αποσυνδέει τη θερμική διαστολή από τη διασταύρωση κρύου πείρου.

Επιπτώσεις στη θερμική απόδοση: Απώλεια θερμότητας και ζημιά στη φλάντζα
Η μέθοδος τοποθέτησης επηρεάζει επίσης τη μετάδοση θερμότητας στον ψυχρό πείρο. Σε μια θηλή με σπείρωμα, η επαφή μετάλλου-σε-μετάλλου παρέχει καλή θερμική αγωγιμότητα από το περίβλημα στο τοίχωμα της δεξαμενής, ψύχοντας τη διασταύρωση κρύου πείρου και διατηρώντας την ηλεκτρική στεγανοποίηση. Αλλά αυτή η ψύξη σημαίνει επίσης απώλεια θερμότητας, η οποία μειώνει την απόδοση του συστήματος κατά 2-5%. Σε μια βάση με φλάντζα, το παρέμβυσμα (PTFE ή συμπιεσμένη ίνα γενικά) είναι ένας μονωτήρας, μειώνοντας την απώλεια θερμότητας σε λιγότερο από 1%, αλλά επιτρέποντας στη διασταύρωση κρύου πείρου να λειτουργεί πιο ζεστά. Για λειτουργία στους 180 μοίρες, ο ψυχρός πείρος σε μια βάση με φλάντζα μπορεί να είναι 120-140 μοίρες απαιτώντας σύρματα μολύβδου υψηλής θερμοκρασίας και μόνωση σιλικόνης ή υαλοβάμβακα. Το πάχος του τοιχώματος δεν επηρεάζει πολύ αυτές τις διαφορές θερμότητας.

Πώς να επιλέξετε μια μέθοδο τοποθέτησης: Μια σύνθεση του εμπορίου-απενεργοποιημένη
Τύπος στερέωσης Πάχος τοίχου Μέγιστη καταπόνηση στον ψυχρό πείρο (κύκλος 20 μοιρών έως 180 μοίρες) Συνιστώμενη διάρκεια ζωής απώλειας θερμότητας εφαρμογής (Κύκλοι έως αστοχία)
Θηλή με σπείρωμα 1,0 mm 360 MPa (τοπικά) 5.000 – 10.000 κύκλοι 3 – 5% Χαμηλή-εφαρμογές κύκλου (< 5,000 cycles) with thin wall.
Θηλή με σπείρωμα 1,8 mm 460 MPa (τοπικά) 1.000 – 2.000 κύκλοι 3 – 5% Δεν συνιστάται - πλαστική παραμόρφωση ανά κύκλο
Φλάντζα PTFE Οποιοδήποτε (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 κύκλοι < 1% Προτιμάται για εφαρμογές υψηλού-κύκλου ή υψηλής θερμοκρασίας.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 μοίρες ) όπου το PTFE χαλάει.
Τεχνικοί βρόχοι επέκτασης και ευέλικτες συνδέσεις πέρα ​​από το βουνό
Εάν η εφαρμογή απαιτεί στερέωση με σπείρωμα (δηλαδή μετασκευή σε υπάρχοντες συνδέσμους), ο σωλήνας θέρμανσης περιέχει έναν βρόχο διαστολής (κάμψη 180 μοιρών) μεταξύ του θερμαινόμενου τμήματος και της ένωσης ψυχρού πείρου για να απορροφήσει μηχανικά τη θερμική διαστολή και να μειώσει την πίεση στον ψυχρό πείρο ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος. Μια καμπύλη 90 μοιρών ακτίνας 50 mm μειώνει το μεταδιδόμενο αξονικό φορτίο κατά 70%. Εναλλακτικά, χρησιμοποιείται ένας εύκαμπτος μεταλλικός σωλήνας σύνδεσης μεταξύ του θερμαντήρα και του ηλεκτρικού περιβλήματος για τη μόνωση του ψυχρού πείρου από τις δυνάμεις θερμικής διαστολής.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Προτιμάται η βάση φλάντζας για υπηρεσία υψηλού θερμικού κύκλου
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). Οι τοίχοι με σπείρωμα 1,8 mm έχουν διάρκεια κόπωσης μόνο 1.000–2.000 κύκλων. Το περίβλημα με φλάντζα στήριξης ολισθαίνει μέσα από τη φλάντζα και η μέγιστη τάση παραμένει κάτω από 50 MPa ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος, με αποτέλεσμα > 100.000 κύκλους. Όπου η εγκατάσταση με σπείρωμα είναι αναπόφευκτη, χρησιμοποιήστε λεπτό τοίχωμα (Μικρότερο ή ίσο με 1,0 mm) και βρόχο διαστολής. Για νέες εγκαταστάσεις όπου απαιτείται υψηλή ανθεκτικότητα υπό θερμική ανακύκλωση, η προδιαγραφή επιλογής είναι μια βάση με φλάντζα με φλάντζα PTFE. Το πάχος του τοιχώματος ρυθμίζεται με βάση τις απαιτήσεις διάβρωσης και πίεσης και όχι την καταπόνηση που προκαλείται από την τοποθέτηση.