Hvordan endrer metoden for montering av en titanbelagt varmeapparat (flenset vs. gjenget nippel) spenningsfordelingen ved den kalde pinneforbindelsen når den utsettes for termisk sykling fra 20 grader til 180 grader?

Det grunnleggende kompromisset ved montering av en varmeovn for høy-termisk-tjeneste
Titaninnkapslede varmeovner er ofte installert gjennom tankvegger ved hjelp av enten en flensforbindelse (boltet til en tilsvarende flens) eller en gjenget nippel (skrudd inn i en sveiset kobling). Den kalde pinneforbindelsen, der den interne motstandsledningen kobles til den eksterne elektriske ledningen, opplever mest termisk stress under sykling fra omgivelsestemperatur (20 grader) til prosesstemperatur (180 grader). Måten som kappen monteres på påvirker måten den utvider seg og trekker seg sammen i forhold til tankens faste vegg og har således en direkte effekt på måten spenningen fordeles på ved dette vitale punktet. Det flensede festet gir en viss radiell og aksial ettergivenhet, men den gjengede nippelen begrenser kappen stivt. Veggtykkelse samhandler med monteringsmetode: Tykkere vegg forbedrer aksial stivhet og overfører større termisk belastning til kaldstiftforbindelsen. Denne analysen sammenligner spenningsfordelinger for flensmontering og gjenget montering, og gir forslag til valg for høytemperatursyklusapplikasjoner.

Effekt på mekanisk integritet: Cold Pin Junction Stress
For en titanvarmer på 500 mm lengde er den aksiale ekspansjonen ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm når den varmes opp fra 20 grader til 180 grader. Hylsen holdes tett i et gjenget nippelfeste ved gjengene. Denne begrensede ekspansjonen genererer en aksial trykkspenning på σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa. Denne spenningen overføres umiddelbart til den kalde stiftforbindelsen hvor kappen endres fra oppvarmet til uoppvarmet. For en vegg på 1,0 mm er denne spenningen under flytegrensen på 275 MPa, og viser dermed elastisk oppførsel. Men hyppig kjøring gir tretthet i leddene. For en 1,8 mm vegg er den aksiale spenningen 144 MPa (uavhengig av veggtykkelse for en stiv begrensning), men bøyestivheten ved krysset er høyere, og dermed mindre evne til å kompensere for små feiljusteringer. En endelig elementanalyse viser at spenningskonsentrasjonsfaktoren ved kaldstiftovergangen øker fra 2,5 for 1,0 mm veggen til 3,2 for 1,8 mm veggen, med tilsvarende lokaliserte toppspenninger på 360 MPa og 460 MPa. Veggen på 1,8 mm overskrider den lokale flytegrensen, noe som resulterer i plastisk deformasjon hver syklus og rask utmattingssvikt.

Varmeren er festet i en flensfeste med en pakning, selv om den ikke er stivt festet. Flensen lar kappen gli litt gjennom pakningen når den utvider seg. Friksjonskraften ved pakningen (ikke full seksjonsmodul) motstår ekspansjon og reduserer aksialspenningen med en faktor på 5–10 til 15–30 MPa. Spenningen ved kaldstiftovergangen er mindre enn 50 MPa, som er innenfor elastisitetsgrensen for både 1,0 mm og 1,8 mm vegger. Det flensede festet kobler i hovedsak den termiske ekspansjonen fra det kalde stiftovergangen.

Innvirkning på termisk ytelse: Varmetap og pakningsskader
Monteringsmetoden påvirker også varmeoverføringen ved kaldstiften. I en gjenget nippel gir metall-til-metall-kontakt god varmeledning fra kappen til tankveggen, avkjøler den kalde stiftforbindelsen og opprettholder den elektriske tetningen. Men denne kjølingen betyr også varmetap, noe som reduserer systemets effektivitet med 2–5 %. I en flensfeste er pakningen (PTFE eller komprimert fiber generelt) en isolator, som reduserer varmetapet til mindre enn 1 %, men lar den kalde stiftforbindelsen fungere varmere. For drift ved 180 grader kan kaldpinnen på et flensfeste være 120-140 grader, og krever høytemperaturledninger og silikon- eller glassfiberisolasjon. Veggtykkelsen påvirker ikke disse varmeforskjellene mye.

Hvordan velge en monteringsmetode: En syntese av byttet-
Monteringstype Veggtykkelse Toppspenning ved kaldstift (20 grader til 180 graders syklus)Anbefalt bruk Varmetap Utmattelseslevetid (sykluser til svikt)
Gjenget nippel 1,0 mm 360 MPa (lokalisert) 5 000 – 10 000 sykluser 3 – 5 % lav-applikasjoner (< 5,000 cycles) with thin wall.
Gjenget nippel 1,8 mm 460 MPa (lokalisert) 1 000 – 2 000 sykluser 3 – 5 % Anbefales ikke - plastisk deformasjon per syklus
PTFE Flenspakning Enhver (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 sykluser < 1 % Foretrukket for bruk med høy-syklus eller høy temperatur.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 grader) hvor PTFE brytes ned.
Tekniske utvidelsesløkker og fleksible tilkoblinger utover monteringen
Hvis applikasjonen krever en gjenget montering (dvs. en ettermontering i eksisterende koblinger), inneholder varmerøret en ekspansjonssløyfe (180 graders bøy) mellom den oppvarmede seksjonen og kaldstiftforbindelsen for mekanisk å absorbere termisk ekspansjon og redusere spenningen ved kaldstiften uavhengig av veggtykkelse. En 90 graders kurve med radius 50 mm reduserer den overførte aksiallasten med 70 %. Alternativt brukes en fleksibel metallslangeforbindelse mellom varmeren og det elektriske kabinettet for å isolere den kalde pinnen fra termiske ekspansjonskrefter.

KONKLUSJON: Flensfeste foretrekkes for service med høy termisk syklus
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). Gjengede 1,8 mm vegger har en utmattingstid på kun 1 000–2 000 sykluser. Kappen med flensmontering glir gjennom pakningen og toppspenningen holder seg under 50 MPa uavhengig av veggtykkelsen, noe som resulterer i > 100 000 sykluser. Hvis gjenget installasjon er uunngåelig, bruk tynnvegg (mindre enn eller lik 1,0 mm) og en ekspansjonsløkke. For nye installasjoner hvor høy holdbarhet kreves under varmesyklus, er spesifikasjonen som velges et flensfeste med PTFE-pakning. Veggtykkelse settes ut fra korrosjons- og trykkkrav, og ikke påkjenningene forårsaket av monteringen.