Titanyum Kılıflı Isıtıcının (Flanşlı ve Dişli Nipel) Montaj Yöntemi, 20 dereceden 180 dereceye kadar Termal Döngüye Tabi Tutulduğunda Soğuk Pim Bağlantı Noktasındaki Gerilim Dağılımını Nasıl Değiştirir?

Yüksek-Termal-Döngü Hizmeti için Isıtıcı Montajında ​​Temel Uzlaşma
Titanyum kaplı ısıtıcılar genellikle flanşlı bir bağlantı (ilgili bir flanşa cıvatalanmış) veya dişli bir nipel (kaynaklı bir bağlantıya vidalanmış) kullanılarak tank duvarlarının içinden monte edilir. Dahili direnç telinin harici elektrik kablosuyla birleştiği soğuk pin bağlantısı, ortam sıcaklığından (20 derece) proses sıcaklığına (180 derece) geçiş sırasında en fazla termal stresi yaşar. Kılıfın monte edilme şekli, tankın sabit duvarına göre genişleme ve büzülme şeklini etkiler ve dolayısıyla bu hayati bağlantı noktasında stresin dağıtılma şekli üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Flanşlı montaj bir miktar radyal ve eksenel uyum sağlar, ancak dişli nipel kılıfı sıkı bir şekilde sıkıştırır. Duvar kalınlığı montaj yöntemiyle etkileşime girer: Daha kalın duvar, eksenel sertliği artırır ve soğuk pim bağlantısına daha fazla termal gerilim iletir. Bu analiz, flanşlı ve dişli montaj için gerilim dağılımlarını karşılaştırır ve yüksek sıcaklık döngüsü uygulamaları için seçim önerileri sağlar.

Mekanik Bütünlüğe Etkisi: Soğuk Pim Bağlantı Gerilmesi
500 mm uzunluğa sahip bir titanyum ısıtıcı için, 20 dereceden 180 dereceye ısıtıldığında eksenel genleşme ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm'dir. Kılıf, dişlerdeki dişli bir meme ucu yuvasına sıkıca tutturulur. Bu sınırlı genleşme, σ_axis=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa değerinde bir eksenel basınç gerilimi üretir. Bu gerilim, kılıfın ısıtılmış durumdan ısıtılmamış duruma geçtiği soğuk pim bağlantısına hemen aktarılır. 1,0 mm'lik bir duvar için bu gerilim 275 MPa'lık akma dayanımının altındadır ve dolayısıyla elastik davranış gösterir. Ancak sık sürüş eklemlerde yorgunluğa neden olur. 1,8 mm'lik bir duvar için eksenel gerilim 144 MPa'dır (rijit kısıtlama için duvar kalınlığından bağımsız olarak), ancak birleşim noktasındaki bükülme sertliği daha yüksektir, dolayısıyla hafif hizalama bozukluklarını telafi etme yeteneği daha azdır. Sonlu eleman analizi, soğuk pim bağlantısındaki gerilim konsantrasyon faktörünün 1,0 mm duvar için 2,5'ten 1,8 mm duvar için 3,2'ye yükseldiğini ve buna karşılık gelen 360 MPa ve 460 MPa lokalize tepe gerilimlerinin olduğunu göstermektedir. 1,8 mm'lik duvar, yerel akma dayanımını aşarak her döngüde plastik deformasyona ve hızlı yorulma arızasına neden olur.

Isıtıcı, sıkı bir şekilde sabitlenmemiş olmasına rağmen, bir conta ile flanşlı bir montaj parçasına sabitlenmiştir. Flanş, kılıfın genişledikçe contanın içinden bir miktar kaymasını sağlar. Contadaki sürtünme kuvveti (tam kesit modülü değil) genleşmeye direnir ve eksenel gerilimi 5–10 ile 15–30 MPa arasında bir faktörle azaltır. Soğuk pim bağlantısındaki gerilim 50 MPa'dan azdır; bu, hem 1,0 mm hem de 1,8 mm duvarlar için elastik sınır dahilindedir. Flanşlı montaj esas olarak termal genleşmeyi soğuk pim bağlantısından ayırır.

Termal Performansa Etkisi: Isı Kaybı ve Conta Hasarı
Montaj yöntemi aynı zamanda soğuk pimdeki ısı iletimini de etkiler. Dişli bir nipelde, metal---metale temas, kılıftan tank duvarına kadar iyi bir ısı iletimi sağlar, soğuk pim bağlantısını soğutur ve elektrik yalıtımını korur. Ancak bu soğutma aynı zamanda ısı kaybı anlamına da gelir ve bu da sistem verimliliğini %2-5 oranında azaltır. Flanşlı montajda conta (genel olarak PTFE veya sıkıştırılmış fiber) bir yalıtkandır; ısı kaybını %1'in altına düşürür, ancak soğuk pim bağlantısının daha sıcak çalışmasına izin verir. 180 derecede çalışmak için, flanşlı bir montaj parçası üzerindeki soğuk pim, yüksek sıcaklıkta kurşun tellere ve silikon veya cam elyaf izolasyona ihtiyaç duyan 120-140 derece olabilir. Duvar kalınlığı bu ısı farklarını pek etkilemez.

Montaj Yöntemi Nasıl Seçilir: Takas Sentezi-off
Montaj Tipi Duvar Kalınlığı Soğuk Pimde Tepe Gerilimi (20 dereceden 180 dereceye kadar döngü)Önerilen Uygulama Isı Kaybı Yorulma Ömrü (Arızaya Kadar Döngüler)
Dişli nipel 1,0 mm 360 MPa (lokalize) 5.000 – 10.000 döngü %3 – 5 Düşük-döngülü uygulamalar (< 5,000 cycles) with thin wall.
Dişli nipel 1,8 mm 460 MPa (lokalize) 1.000 – 2.000 döngü %3 – 5 Tavsiye edilmez - döngü başına plastik deformasyon
PTFE Flanş ContasıHerhangi bir (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 döngü < %1 Yüksek-döngü veya yüksek sıcaklık uygulamaları için tercih edilir.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 derece) PTFE'nin bozulduğu yer.
Montajın Ötesinde Mühendislik Genişletme Döngüleri ve Esnek Bağlantılar
Uygulama dişli bir montaj gerektiriyorsa (yani mevcut kaplinlere sonradan takılması), ısıtıcı tüp, termal genleşmeyi mekanik olarak absorbe etmek ve duvar kalınlığından bağımsız olarak soğuk pimdeki gerilimi azaltmak için ısıtılmış bölüm ile soğuk pim bağlantısı arasında bir genleşme döngüsü (180 derecelik dirsek) içerir. 50 mm yarıçaplı 90 derecelik bir eğri, iletilen eksenel yükü %70 oranında azaltır. Alternatif olarak, soğuk pimi termal genleşme kuvvetlerinden yalıtmak için ısıtıcı ile elektrik mahfazası arasında esnek bir metal hortum bağlantısı kullanılır.

SONUÇ: Yüksek termal döngü hizmeti için flanş montajı tercih edilir
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). 1,8 mm'lik dişli duvarların yorulma ömrü yalnızca 1.000-2.000 döngüdür. Flanşlı montajlı kılıf conta boyunca kayar ve tepe gerilimi duvar kalınlığına bakılmaksızın 50 MPa'nın altında kalır, bu da > 100.000 döngüyle sonuçlanır. Dişli kurulumun kaçınılmaz olduğu durumlarda ince duvar (1,0 mm'den az veya eşit) ve bir genişletme halkası kullanın. Isı çevrimi altında yüksek dayanıklılığın gerekli olduğu yeni kurulumlar için tercih edilen özellik, PTFE contalı flanşlı montajdır. Duvar kalınlığı, montajın neden olduğu gerilime göre değil, korozyon ve basınç gereksinimlerine göre ayarlanır.