Kuidas muudab titaankattega küttekeha (äärikuga vs keermestatud nipliga) paigaldamise meetod külma tihvti ristmikul pingejaotust, kui see allub termilisele tsüklile 20 kraadilt 180 kraadile?

Põhiline kompromiss küttekeha paigaldamisel kõrge{0}}termilise-tsükliteenuse jaoks
Titaankattega küttekehad paigaldatakse sageli läbi paagi seinte, kasutades kas äärikühendust (poltidega vastava ääriku külge) või keermestatud niplit (keevitatud liitmikusse keeratud). Külma tihvti ristmik, kus sisetakistusjuhe ühendub välise elektrijuhtmega, kogeb kõige suuremat termilist pinget tsükli ajal ümbritsevast (20 kraadi) protsessitemperatuurist (180 kraadi). Mantli paigaldusviis mõjutab viisi, kuidas see paagi fikseeritud seina suhtes paisub ja kokku tõmbub, ning seega on sellel otsene mõju sellele, kuidas pinge jaotub selles olulises punktis. Äärikuga kinnitus tagab mõningase radiaalse ja aksiaalse vastavuse, kuid keermestatud nippel piirab kesta jäigalt. Seina paksus on koostoimes paigaldusmeetodiga: paksem sein parandab aksiaalset jäikust ja edastab suurema termilise pinge külma tihvti ühendusele. See analüüs võrdleb pingejaotust ääriku- ja keermestatud paigaldusel ning annab valikusoovitusi kõrge temperatuuriga tsüklirakenduste jaoks.

Mõju mehaanilisele terviklikkusele: külma tihvti ristmiku pinge
500 mm pikkuse titaansoojendi puhul on aksiaalne paisumine ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm, kui seda kuumutatakse 20 kraadilt 180 kraadini. Ümbrist hoitakse keermede juures tihedalt keermestatud niplikinnituses. See piiratud laienemine tekitab teljesuunalise survepinge σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. See pinge kantakse kohe üle külma tihvti ristmikule, kus ümbris muutub kuumutatud asemel soojendamata. 1,0 mm seina puhul on see pinge alla voolavuspiiri 275 MPa ja näitab seega elastsust. Kuid sagedane ratsutamine tekitab liigese väsimust. 1,8 mm seina puhul on telgpinge 144 MPa (jäika piirangu korral seina paksusest sõltumata), kuid ristmikul on paindejäikus suurem, seega on väiksem võime kompenseerida kergeid kõrvalekaldeid. Lõplike elementide analüüs näitab, et pinge kontsentratsiooni tegur külma tihvti ristmikul suureneb 2,5-lt 1,0 mm seina puhul 3,2-ni 1,8 mm seina puhul, vastavate lokaalsete tipppingetega 360 MPa ja 460 MPa. 1,8 mm sein ületab kohaliku voolavuspiiri, mille tulemuseks on plastiline deformatsioon iga tsükli jooksul ja kiire väsimuse rike.

Kütteseade on kinnitatud tihendiga äärikusse, kuigi see pole jäigalt fikseeritud. Äärik võimaldab ümbrisel paisudes veidi läbi tihendi libiseda. Tihendi hõõrdejõud (mitte täisosa moodul) takistab paisumist ja vähendab aksiaalset pinget 5–10 kuni 15–30 MPa. Pinge külmatihvti ristmikul on alla 50 MPa, mis jääb nii 1,0 mm kui ka 1,8 mm seinte elastsuse piiridesse. Äärikuga kinnitus lahutab soojuspaisumise põhimõtteliselt külma tihvti ristmikust.

Mõju soojustõhususele: soojuskadu ja tihendi kahjustused
Paigaldusmeetod mõjutab ka soojusülekannet külma tihvti juures. Keermestatud niplis tagab metallist -metallist-kontakt metalliga hea soojusjuhtivuse ümbrisest paagi seinani, jahutades külma tihvti ühenduskohta ja säilitades elektritihendi. Kuid see jahutus tähendab ka soojuskadu, mis vähendab süsteemi efektiivsust 2–5%. Äärikuga kinnitusel on tihend (PTFE või kokkusurutud kiud üldiselt) isolaator, mis vähendab soojuskadu alla 1%, kuid võimaldab külma tihvti ristmikul kuumemalt töötada. 180 kraadi juures töötamiseks võib äärikuga kinnituse külmtihvt olla 120–140 kraadi, selleks on vaja kõrge temperatuuriga pliitraate ja silikoonist või klaaskiust isolatsiooni. Seina paksus neid soojuserinevusi eriti ei mõjuta.

Paigaldusmeetodi valimine: kaubanduse süntees-väljas
Paigaldustüüp Seina paksus Maksimaalne pinge külma tihvti juures (20-180-kraadine tsükkel) Soovitatav rakendus soojuskadu, väsimuse kestus (tsüklid ebaõnnestumiseni)
Keermestatud nippel 1,0 mm 360 MPa (lokaliseeritud) 5000–10 000 tsüklit 3–5% Madala -tsükliga rakendused (< 5,000 cycles) with thin wall.
Keermestatud nippel 1,8 mm 460 MPa (lokaliseeritud) 1000–2000 tsüklit 3–5% Pole soovitatav - plastiline deformatsioon tsükli kohta
PTFE ääriku tihend Igasugune (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 tsüklit < 1% Eelistatud kõrge tsükliga või kõrge temperatuuriga rakenduste jaoks.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 kraadi), kus PTFE laguneb.
Tehnilised laiendusaasad ja paindlikud ühendused väljaspool kinnitust
Kui rakendus nõuab keermestatud kinnitust (st moderniseerimist olemasolevatesse haakeseadistesse), sisaldab küttetoru soojendatava sektsiooni ja külma tihvti ristmiku vahel paisumissilmust (180 kraadi painutus), et mehaaniliselt absorbeerida soojuspaisumist ja vähendada külma tihvti pinget, sõltumata seina paksusest. 90-kraadine kõver raadiusega 50 mm vähendab ülekantavat aksiaalset koormust 70%. Teise võimalusena kasutatakse küttekeha ja elektrikilbi vahel painduvat metallist voolikuühendust, et isoleerida külma tihvti soojuspaisumisjõudude eest.

KOKKUVÕTE: äärikukinnitus eelistatud kõrge termilise tsükliga teenuse jaoks
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 keermestatud seinte väsimisiga on vaid 1000–2000 tsüklit. Äärikuga kinnitusega ümbris libiseb läbi tihendi ja tipppinge jääb alla 50 MPa sõltumata seina paksusest, mille tulemuseks on > 100 000 tsüklit. Kui keermestatud paigaldus on vältimatu, kasutage õhukest seina (vähem kui 1,0 mm või sellega võrdne) ja paisutusaasa. Uute paigaldiste jaoks, kus kuumutustsükli korral on vaja suurt vastupidavust, on spetsifikatsiooniks valitud äärikuga kinnitus PTFE-tihendiga. Seina paksus määratakse korrosiooni- ja rõhunõuete alusel, mitte kinnitusest põhjustatud pingete alusel.