Kako metoda montaže grijača obloženog titanijumom (prirubnica u odnosu na navojnu bradavicu) mijenja distribuciju naprezanja na spoju hladnog klina kada je podvrgnuta termičkom ciklusu od 20 stepeni do 180 stepeni?

Osnovni kompromis u ugradnji grijača za servis visokog{0}}termalnog-ciklusa
Grijači obloženi titanijumom se često ugrađuju kroz zidove rezervoara koristeći ili prirubnički spoj (pričvršćen za odgovarajuću prirubnicu) ili navojnu nazuvicu (uvrnutu u zavarenu spojnicu). Hladni pin spoj, gdje se žica unutrašnjeg otpora spaja sa vanjskim električnim kablom, doživljava najveći termički stres tokom ciklusa od ambijentalne (20 stepeni) do temperature procesa (180 stepeni). Način na koji je omotač montiran utječe na način na koji se širi i skuplja u odnosu na fiksni zid rezervoara i, prema tome, ima direktan utjecaj na način na koji se naprezanje raspoređuje u ovom vitalnom spoju. Montaža s prirubnicom pruža određenu radijalnu i aksijalnu usklađenost, ali navojna bradavica čvrsto ograničava omotač. Debljina zida je u interakciji sa metodom montaže: Deblji zid poboljšava aksijalnu krutost i prenosi veće termičko opterećenje na spoj hladnog klina. Ova analiza uspoređuje raspodjelu naprezanja za prirubničku i navojnu montažu i daje prijedloge odabira za primjene ciklusa visokih temperatura.

Utjecaj na mehanički integritet: naprezanje spoja hladnog klina
Za titanijumski grijač dužine 500 mm, aksijalno širenje je ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm kada se zagrije od 20 stepeni do 180 stepeni. Plašt se čvrsto drži u navojnoj bradavici na navojima. Ovo ograničeno širenje stvara aksijalno tlačno naprezanje od σ_aksijalno=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Ova napetost se odmah prenosi na hladnu spojnicu gdje se omotač mijenja iz zagrijanog u negrijani. Za zid od 1,0 mm, ovo naprezanje je ispod granice popuštanja od 275 MPa i tako pokazuje elastično ponašanje. Ali često jahanje proizvodi umor u zglobu. Za zid od 1,8 mm aksijalni napon je 144 MPa (neovisno o debljini zida za kruto ograničenje), ali je krutost na savijanje na spoju veća, a time i manja sposobnost kompenzacije malih neusklađenosti. Analiza konačnih elemenata pokazuje da se faktor koncentracije naprezanja na hladnom spoju klinova povećava sa 2,5 za zid od 1,0 mm na 3,2 za zid od 1,8 mm, s odgovarajućim lokaliziranim vršnim naponima od 360 MPa i 460 MPa. Zid od 1,8 mm premašuje lokalnu granicu tečenja, što dovodi do plastične deformacije u svakom ciklusu i brzog kvara na zamor.

Grijač je pričvršćen u prirubnički nosač s brtvom, iako nije čvrsto fiksiran. Prirubnica omogućava da omotač malo provuče kroz brtvu dok se širi. Sila trenja na brtvi (ne pun modul presjeka) opire se širenju i smanjuje aksijalni napon za faktor od 5–10 do 15–30 MPa. Napon na hladnom spoju klinova je manji od 50 MPa, što je unutar granice elastičnosti za zidove od 1,0 mm i 1,8 mm. Montaža s prirubnicom u suštini odvaja termičko širenje od hladnog spoja.

Utjecaj na toplinske performanse: gubitak topline i oštećenje brtve
Način montaže takođe utiče na prenos toplote na hladnom klinu. U navojnoj bradavici, kontakt metal-na-metal daje dobru toplotnu provodljivost od omotača do zida rezervoara, hladeći hladni spoj igle i održavajući električnu brtvu. Ali ovo hlađenje takođe znači gubitak toplote, što smanjuje efikasnost sistema za 2-5%. U prirubničkom montaži, zaptivka (PTFE ili komprimovana vlakna uopšte) je izolator, koji smanjuje gubitak toplote na manje od 1%, ali omogućava da hladni spoj iglica radi toplije. Za rad na 180 stepeni, hladni pin na prirubničkom nosaču može da bude 120-140 stepeni, zahtevajući visokotemperaturne olovne žice i silikonsku ili fiberglas izolaciju. Debljina zida ne utiče mnogo na ove toplotne razlike.

Kako odabrati metodu montaže: sinteza{0}}zamjena
Tip montaže Debljina zida Vršno naprezanje na hladnoj osovini (ciklus od 20 stepeni do 180 stepeni) Preporučena primena Gubitak toplote Životni vek zamora (ciklusi do kvara)
Navojna bradavica 1,0 mm 360 MPa (lokalizirano) 5.000 – 10.000 ciklusa 3 – 5% Niski{8}}primjena ciklusa (< 5,000 cycles) with thin wall.
Navojna bradavica 1,8 mm 460 MPa (lokalizirano) 1.000 – 2.000 ciklusa 3 – 5% Ne preporučuje se - plastična deformacija po ciklusu
PTFE zaptivka prirubnice Bilo koja (1.0-1.8 mm) < 50 MPa > 100.000 ciklusa < 1% Poželjno za aplikacije sa visokim{6}}ciklusima ili visokotemperaturnim.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 stepeni) gde se PTFE razgrađuje.
Inženjerske petlje za proširenje i fleksibilne veze izvan nosača
Ako aplikacija zahtijeva montažu s navojem (tj. naknadnu ugradnju u postojeće spojnice), cijev grijača sadrži petlju za proširenje (savijanje od 180 stupnjeva) između grijanog dijela i spoja hladnog klina kako bi se mehanički apsorbiralo toplinsko širenje i smanjilo naprezanje na hladnom klinu neovisno o debljini zida. Kriva od 90 stepeni radijusa 50 mm smanjuje preneseno aksijalno opterećenje za 70%. Alternativno, koristi se fleksibilni spoj metalnog crijeva između grijača i električnog kućišta kako bi se hladna igla izolirala od sila toplinskog širenja.

ZAKLJUČAK: Montaža prirubnice je poželjna za rad sa visokim termičkim ciklusom
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). Zidovi s navojem od 1,8 mm imaju vijek trajanja od samo 1.000-2.000 ciklusa. Plašt s prirubnicom klizi kroz zaptivku i vršno naprezanje ostaje ispod 50 MPa bez obzira na debljinu zida, što rezultira > 100.000 ciklusa. Gdje je instalacija s navojem neizbježna, koristite tanki zid (manji ili jednak 1,0 mm) i petlju za proširenje. Za nove instalacije gdje je potrebna visoka izdržljivost pod cikličkim ciklusom topline, specifikacija izbora je montaža s prirubnicom s PTFE brtvom. Debljina zida se postavlja na osnovu zahtjeva za korozijom i pritiskom, a ne naprezanja uzrokovanog montažom.