Com canvia el mètode de muntatge d'un escalfador amb coberta de titani (masonó amb brida o roscat) la distribució de l'esforç a la unió del passador fred quan està sotmès a un cicle tèrmic de 20 graus a 180 graus?

El compromís bàsic en el muntatge d'un escalfador per a un servei de cicle alt-tèrmic-
Els escalfadors de titani s'instal·len sovint a través de les parets del dipòsit mitjançant una connexió amb brida (carrellada a una brida corresponent) o un mugró roscat (cargolat en un acoblament soldat). La unió del pin fred, on el cable de resistència interna s'uneix al cable elèctric extern, experimenta la major tensió tèrmica durant el cicle des de l'ambient (20 graus) fins a la temperatura del procés (180 graus). La manera com es munta la funda afecta la manera en què s'expandeix i es contrau respecte a la paret fixa del dipòsit i, per tant, té un efecte directe en la manera com es distribueix l'esforç en aquesta unió vital. El muntatge amb brides proporciona una mica de compliment radial i axial, però el mugró roscat limita la funda rígidament. El gruix de la paret interactua amb el mètode de muntatge: la paret més gruixuda millora la rigidesa axial i transmet una major tensió tèrmica a la connexió del pin fred. Aquesta anàlisi compara les distribucions de tensió per a muntatges amb brides i roscats i ofereix suggeriments de selecció per a aplicacions de cicles d'alta temperatura.

Efecte sobre la integritat mecànica: esforç de la unió del pin en fred
Per a un escalfador de titani de 500 mm de longitud, l'expansió axial és ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm quan s'escalfa de 20 graus a 180 graus. La funda es manté fermament en un suport de mugró roscat als fils. Aquesta expansió limitada genera un esforç de compressió axial de σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Aquesta tensió es transfereix immediatament a la unió del pin fred on la funda canvia d'escalfada a no escalfada. Per a una paret d'1,0 mm, aquesta tensió està per sota del límit elàstic de 275 MPa i, per tant, mostra un comportament elàstic. Però anar amb freqüència a cavall produeix fatiga a l'articulació. Per a una paret d'1,8 mm, l'esforç axial és de 144 MPa (independentment del gruix de la paret per a una restricció rígida), però la rigidesa a la flexió a la unió és més alta, per tant, menys capacitat per compensar lleugeres desalineacions. Una anàlisi d'elements finits demostra que el factor de concentració d'estrès a la unió del pin fred augmenta de 2,5 per a la paret d'1,0 mm a 3,2 per a la paret d'1,8 mm, amb les tensions màximes localitzades corresponents de 360 ​​MPa i 460 MPa. La paret d'1,8 mm supera el límit de fluència local, donant lloc a una deformació plàstica a cada cicle i una ràpida fallada per fatiga.

L'escalfador es fixa en un suport amb brida amb una junta, tot i que no està fixat rígidament. La brida permet que la funda llisqui una mica per la junta a mesura que s'expandeix. La força de fricció a la junta (no mòdul de secció completa) resisteix l'expansió i redueix la tensió axial en un factor de 5-10 a 15-30 MPa. La tensió a la unió del pin fred és inferior a 50 MPa, que es troba dins del límit elàstic tant per a parets d'1,0 mm com per a 1,8 mm. El muntatge amb brides essencialment desacobla l'expansió tèrmica de la unió del pin fred.

Impacte en el rendiment tèrmic: pèrdua de calor i danys a les juntes
El mètode de muntatge també influeix en la transmissió de calor al pin fred. En un mugró roscat, el contacte de metall-a-metall proporciona una bona conducció tèrmica des de la funda fins a la paret del dipòsit, refredant la unió del pin fred i mantenint el segell elèctric. Però aquest refredament també significa pèrdua de calor, que redueix l'eficiència del sistema entre un 2 i un 5%. En un muntatge amb brides, la junta (PTFE o fibra comprimida en general) és un aïllant, disminuint la pèrdua de calor a menys d'un 1%, però permetent que la unió del pin fred funcioni més calenta. Per al funcionament a 180 graus, el passador fred d'un muntatge amb brides pot ser de 120-140 graus necessitant cables d'alta temperatura i aïllament de silicona o fibra de vidre. El gruix de la paret no afecta gaire aquestes diferències de calor.

Com escollir un mètode de muntatge: una síntesi de la compensació-
Tipus de muntatge Gruix de la paret Tensió màxima al pin en fred (cicle de 20 graus a 180 graus) Aplicació recomanada Pèrdua de calor Vida de fatiga (cicles fins a la fallada)
Mugró roscat 1,0 mm 360 MPa (localitzat) 5.000 – 10.000 cicles 3 – 5% Aplicacions de cicle baix- (< 5,000 cycles) with thin wall.
Mugró roscat 1,8 mm 460 MPa (localitzat) 1.000 – 2.000 cicles 3 – 5% No recomanat - deformació plàstica per cicle
Junta de brida de PTFE Qualsevol (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 cicles < 1% Es prefereix per a aplicacions d'alt-cicle o d'alta temperatura.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 graus) on el PTFE es trenca.
Bucles d'expansió d'enginyeria i connexions flexibles més enllà del muntatge
Si l'aplicació requereix un muntatge roscat (és a dir, una adaptació als acoblaments existents), el tub de l'escalfador conté un bucle d'expansió (coba de 180 graus) entre la secció escalfada i la unió del pin fred per absorbir mecànicament l'expansió tèrmica i reduir l'estrès al pin fred independentment del gruix de la paret. Una corba de 90 graus de radi de 50 mm redueix la càrrega axial transmesa en un 70%. Alternativament, s'utilitza una connexió de mànega metàl·lica flexible entre l'escalfador i el recinte elèctric per aïllar el pin fred de les forces d'expansió tèrmica.

CONCLUSIÓ: Muntatge de brida preferit per a un servei de cicle tèrmic elevat
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). Les parets roscades d'1,8 mm tenen una vida útil de només 1.000-2.000 cicles. La funda amb muntatge amb brides llisca a través de la junta i la tensió màxima es manté per sota dels 50 MPa independentment del gruix de la paret, donant lloc a > 100.000 cicles. Quan la instal·lació roscada sigui inevitable, utilitzeu una paret prima (menys d'1,0 mm o igual) i un bucle d'expansió. Per a instal·lacions noves on es requereix una gran durabilitat sota el cicle de calor, l'especificació escollida és un muntatge amb brides amb junta de PTFE. El gruix de la paret s'estableix en funció dels requisits de corrosió i pressió, i no de l'estrès causat pel muntatge.