Hoe beïnvloedt het ontwerp van de eindkap (plat versus koepelvormig) van een afgedichte titanium verwarmingsbuis het vermogen om weerstand te bieden aan de interne drukopbouw-vanaf de ontbinding van sporenvocht bij 200 graden?

De basisruil-in het ontwerp van de eindkappen van de titanium verwarmingselementen
De afgedichte titanium verwarmingsbuizen zijn geïsoleerd met magnesiumoxide (MgO) dat sporenvocht kan adsorberen tijdens productie of opslag. Wanneer de verwarming aan de binnenwand wordt geactiveerd tot een temperatuur van 200 graden, verdampt dit vocht en kan het worden afgebroken tot waterstof en zuurstof. Hierdoor kan er interne druk worden opgebouwd, waardoor de eindkap kapot kan gaan. Het ontwerp van de eindkap, of deze nu plat of gewelfd is, heeft rechtstreeks invloed op de manier waarop de buis deze interne druk weerstaat. Een platte kap vertoont buigspanningen met een concentratie van spanning op de lasverbinding. Een koepelvormige dop staat op membraanspanning. De wanddikte is een functie van de vorm van de eindkap. Een dikkere wand kan een vlakkere kap bij grotere druk ondersteunen. Een koepelvormige kap kan dezelfde druk aan met een dunnere wand. Deze analyse meet de drukcapaciteit van platte versus koepelvormige eindkappen op titanium verwarmingsbuizen en geeft selectiesuggesties voor gebruik bij hoge temperaturen waarbij interne druk een gevaar is.

Effect op mechanische integriteit: spanningsverdeling in platte en koepelvormige doppen
We bepalen dat de spanning veroorzaakt door druk in het midden van een platte eindkap die is gelast aan een titanium buis met binnenradius r en wanddikte t wordt gegeven door $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$, waarbij P de interne druk vertegenwoordigt. Voor een typische buis met een buitendiameter van 20 mm (binnenradius 8 mm voor een wand van 1,0 mm) bij een interne druk van 10 bar (1 MPa), sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. Dit is slechts iets hoger dan de vloeigrens van titanium van klasse 2 (275 MPa) en daarom is er een zeer kleine veiligheidsmarge. Voor een koepelvormige kap (halfbolvormig) is de spanning σkoepel=P r 2 t waarbij wordt aangenomen dat de straal van de koepel hetzelfde is als de straal van de buis. Onder dezelfde omstandigheden is σ_dome=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-50 lager dan de platte bovenkant. De koepelvormige kap draagt ​​de spanning vrijwel geheel onder membraanspanning en buigt niet; het is veel beter bestand tegen interne druk. Bij platte doppen houdt de bezwijkwijze in dat ze meegeven en rond het midden uitpuilen, en vervolgens uitscheuren door lassen. Koepelvormige doppen falen meestal doordat ze in het algemeen meegeven bij drukken die 10 tot 20 keer hoger zijn dan platte doppen met dezelfde wanddikte.

Impact op thermische prestaties: warmteoverdracht en productiebeperkingen
Het ontwerp van de eindkap heeft slechts een indirect effect op de thermische prestaties. De platte kap heeft een groter contactoppervlak met het procesmedium en dit kan de warmteoverdracht aan de punt van de verwarmer verbeteren. Maar het verschil is minimaal (meestal<5% of total heating area). More importantly, there is the question of manufacturability. The dome caps are made by pressing or spinning, which is an additional manufacturing process and adds 10–20% to the cost over flat caps. Thin walls (≤1.0 mm) Dome caps Dome caps are easier to successfully weld, since the dome absorbs thermal expansion during welding, thus minimizing the residual stress. Flat caps can be welded with sufficient strength for thick walls (≥1.5 mm) if the tube diameter is small (<16 mm OD). The heat gradient across the end cap in operation is similar for both types, as the cap thickness is normally matched to the tube wall.

Selectiematrix voor eindkappen: de synthese van trade-
Buitendiameter buis en wanddikte Max. veilige interne druk (platte dop, klasse 2) Max. veilige interne druk (koepelvormige dop) Aanbeveling eindkap (kerntechnische grondgedachte)
12 mm × 0,8 mm 4 bar > 50 bar Koepelvormig Dunne wand kan de buigspanning van platte doppen niet aan.
16 mm × 1,0 mm 6 bar > 40 bar Koepelvormige platte kap minimaal; koepelvormig geeft veiligheidsmarge
20 mm x 1,2 mm 8 bar > 35 bar Koepelvormig Ideaal voor betrouwbaarheid. Spanningsreductie na het lassen is alleen aanvaardbaar met platte kap.
20 mm × 1,6 mm 14 bar > 45 bar Beide platte doppen zijn voor de meeste doeleinden voldoende; koepelvormig geeft extra marge.
2,0 mm x 25 mm 18 bar > 50 bar Plat (kostenbesparend) De dikke wand zorgt voor voldoende buigsterkte. Over-specificatie is koepelvormig.
Techniek voorbij de dop: vochtbeheersing en ventilatie
De beste manier om interne drukopbouw- tegen te gaan, is door het volledig voorkomen van vochtindringing. Een verwarming wordt tijdens het vullen en vacuümafdichten met MgO gespoeld met stikstof om het restvocht te minimaliseren tot minder dan 0,1 gewichtsprocent, waardoor drukopbouw- zelfs bij 300 graden wordt voorkomen. Voor huidige verwarmingstoestellen of goedkope ontwerpen biedt een klein ontluchtingsgat (0,2-0,5 mm diameter) in de eindkap een ontsnappingsroute voor interne gassen zonder dat dit ten koste gaat van de corrosieweerstand, aangezien het gat meestal ondergedompeld is en er geen pekel binnendringt vanwege de lichte positieve interne druk. Als alternatief kan een breekschijf van 10 bar worden geïntegreerd in een platte dop, waardoor een gereguleerde drukontlasting mogelijk is.

Conclusie: Flat Caps zijn geschikt voor dikke muren, Domed Caps zijn beter voor dunne muren
The heating tube is titanium sealed and it runs at 200C and even trace moisture decomposes and the end cap design is essential to how much pressure it can take. A flat cap experiences bending strains proportional to P x r(squared) / t(squared) whereas a domed cap experiences membrane stresses proportional to P x r / t - a factor of r/t lower. For thin wall (≤1.2mm) on standard 20mm OD tube a domed cap is necessary to safely bear pressures above 5 bar. For thick walls (>=1.6 mm) is een platte kap prima, omdat de t²-term in de noemer de buigspanning tot aanvaardbare niveaus reduceert. Als blijkt dat interne druk een gevaar vormt (bijvoorbeeld verwarmingstoestellen die vóór de installatie in een vochtige omgeving zijn opgeslagen), dan moet een koepelvormige kap of een geventileerd ontwerp worden gespecificeerd, ongeacht de wanddikte. Geef de fabrikant de hoogste verwachte bedrijfstemperatuur en opslagvochtigheid zodat de fabrikant de juiste eindkap kan maken voor betrouwbare service op de lange- termijn.