Jak způsob montáže ohřívače s titanovým pláštěm (s přírubou vs. závitová vsuvka) změní rozložení napětí na studeném kolíku, když je vystaven tepelnému cyklování z 20 stupňů na 180 stupňů?

Základní kompromis při montáži ohřívače pro vysoko-tepelný-cyklus
Titanové ohřívače se často instalují přes stěny nádrže pomocí buď přírubového spojení (přišroubovaného k odpovídající přírubě) nebo závitové vsuvky (přišroubované do svařované spojky). Studený kolíkový spoj, kde se vnitřní odporový drát připojuje k vnějšímu elektrickému vedení, zažívá největší tepelné namáhání během cyklování z okolní (20 stupňů) do procesní teploty (180 stupňů). Způsob, jakým je plášť namontován, ovlivňuje způsob, jakým se roztahuje a smršťuje vzhledem k pevné stěně nádrže, a má tedy přímý vliv na způsob, jakým je napětí distribuováno v tomto životně důležitém místě. Přírubový držák poskytuje určitou radiální a axiální poddajnost, ale závitová vsuvka pevně omezuje pouzdro. Tloušťka stěny ovlivňuje způsob montáže: Silnější stěna zlepšuje axiální tuhost a přenáší větší tepelné napětí na studený kolíkový spoj. Tato analýza porovnává rozložení napětí pro montáž s přírubou a závitem a poskytuje návrhy na výběr pro aplikace s vysokoteplotním cyklem.

Vliv na mechanickou integritu: Namáhání studeného spoje
U titanového ohřívače o délce 500 mm je axiální roztažnost ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm při zahřátí z 20 stupňů na 180 stupňů. Pouzdro je pevně uchyceno v závitovém uchycení vsuvky na závitech. Tato omezená expanze vytváří axiální tlakové napětí σ_axiální=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Toto napětí se okamžitě přenese na studený spoj kolíku, kde se plášť změní z vyhřívaného na nevyhřívaný. Pro stěnu 1,0 mm je toto napětí pod mezí kluzu 275 MPa, a tak vykazuje elastické chování. Ale časté ježdění způsobuje únavu v kloubu. Pro stěnu o tloušťce 1,8 mm je axiální napětí 144 MPa (nezávisle na tloušťce stěny pro tuhou vazbu), ale ohybová tuhost na spoji je vyšší, a tudíž menší schopnost kompenzovat mírné nesouososti. Analýza metodou konečných prvků ukazuje, že faktor koncentrace napětí na studeném kolíkovém spoji se zvyšuje z 2,5 pro 1,0 mm stěnu na 3,2 pro 1,8 mm stěnu, s odpovídajícími lokalizovanými špičkovými napětími 360 MPa a 460 MPa. Stěna o tloušťce 1,8 mm překračuje místní mez kluzu, což má za následek plastickou deformaci v každém cyklu a rychlé únavové selhání.

Ohřívač je upevněn v přírubovém držáku s těsněním, i když není upevněn pevně. Příruba umožňuje, aby plášť trochu proklouzl těsněním, když se roztahuje. Třecí síla na těsnění (nikoli modul plného průřezu) odolává expanzi a snižuje axiální napětí faktorem 5–10 až 15–30 MPa. Napětí na studeném kolíkovém spoji je menší než 50 MPa, což je v mezích pružnosti pro stěny 1,0 mm i 1,8 mm. Přírubový držák v podstatě odděluje tepelnou roztažnost od studeného kolíkového spoje.

Vliv na tepelný výkon: tepelné ztráty a poškození těsnění
Způsob montáže také ovlivňuje prostup tepla na studeném kolíku. V závitové vsuvce poskytuje kontakt kov-na{2}}kov dobré vedení tepla od pláště ke stěně nádrže, ochlazuje studený kolíkový spoj a udržuje elektrické utěsnění. Toto chlazení však také znamená tepelné ztráty, které snižují účinnost systému o 2–5 %. V přírubové montáži je těsnění (PTFE nebo stlačené vlákno obecně) izolátorem, který snižuje tepelné ztráty na méně než 1 %, ale umožňuje, aby studený kolíkový spoj fungoval tepleji. Pro provoz při 180 stupních může být studený kolík na přírubovém držáku 120-140 stupňů, což vyžaduje vysokoteplotní přívodní dráty a silikonovou nebo sklolaminátovou izolaci. Tloušťka stěny tyto tepelné rozdíly příliš neovlivňuje.

Jak vybrat způsob montáže: Syntéza obchodu-off
Typ montáže Tloušťka stěny Špičkové napětí při studeném kolíku (cyklus 20 stupňů až 180 stupňů) Doporučená aplikace Tepelná ztráta Únavová životnost (cykly až do selhání)
Závitová vsuvka 1,0 mm 360 MPa (lokalizovaná) 5 000 – 10 000 cyklů 3 – 5 % Aplikace s nízkým-cyklem (< 5,000 cycles) with thin wall.
Závitová vsuvka 1,8 mm 460 MPa (lokalizovaná) 1 000 – 2 000 cyklů 3 – 5 % Nedoporučuje se - plastická deformace za cyklus
Těsnění příruby z PTFE Libovolné (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 cyklů < 1 % Preferováno pro vysoko-cyklové nebo vysokoteplotní aplikace.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 stupňů), kde se PTFE rozpadá.
Technické rozšiřující smyčky a flexibilní připojení za držákem
Pokud aplikace vyžaduje montáž se závitem (tj. dodatečnou montáž do stávajících spojek), trubka ohřívače obsahuje expanzní smyčku (ohyb 180 stupňů) mezi vyhřívanou částí a studeným kolíkovým spojem, aby mechanicky absorbovala tepelnou roztažnost a snížila napětí na studeném kolíku nezávisle na tloušťce stěny. 90stupňová křivka o poloměru 50 mm snižuje přenášené axiální zatížení o 70 %. Alternativně se mezi ohřívačem a elektrickým krytem používá pružná kovová hadicová přípojka k izolaci studeného kolíku od tepelných roztažných sil.

ZÁVĚR: Přírubová montáž je upřednostňována pro provoz s vysokým tepelným cyklem
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). Stěny se závitem 1,8 mm mají únavovou životnost pouze 1 000–2 000 cyklů. Plášť s přírubovou montáží klouže skrz těsnění a maximální napětí zůstává pod 50 MPa bez ohledu na tloušťku stěny, což vede k > 100 000 cyklům. Tam, kde je nevyhnutelná instalace se závitem, použijte tenkou stěnu (menší nebo rovnou 1,0 mm) a rozpínací smyčku. Pro nové instalace, kde je vyžadována vysoká odolnost při tepelném cyklování, je specifikací volby přírubový držák s těsněním z PTFE. Tloušťka stěny je nastavena na základě požadavků na korozi a tlaku, a nikoli na napětí způsobené montáží.