Hoe verandert de montagemethode van een met titanium ommantelde verwarmer (flens- versus schroefdraadnippel) de spanningsverdeling op de koude pinverbinding wanneer deze wordt onderworpen aan thermische cycli van 20 graden naar 180 graden?

Het basiscompromis bij het monteren van een verwarming voor hoge-thermische- cyclusservice
Verwarmingselementen met titanium behuizing worden vaak door tankwanden geïnstalleerd met behulp van een flensverbinding (vastgeschroefd aan een overeenkomstige flens) of een nippel met schroefdraad (in een gelaste koppeling geschroefd). De koude pinverbinding, waar de interne weerstandsdraad aansluit op de externe elektrische leiding, ondervindt de meeste thermische spanning tijdens het schakelen van omgevingstemperatuur (20 graden) naar procestemperatuur (180 graden). De manier waarop de huls wordt gemonteerd beïnvloedt de manier waarop deze uitzet en samentrekt ten opzichte van de vaste wand van de tank en heeft dus een direct effect op de manier waarop de spanning op dit cruciale moment wordt verdeeld. De van een flens voorziene montage zorgt voor enige radiale en axiale flexibiliteit, maar de van schroefdraad voorziene nippel houdt de huls stevig vast. De wanddikte hangt samen met de montagemethode: een dikkere wand verbetert de axiale stijfheid en brengt een grotere thermische spanning over op de koude pinverbinding. Deze analyse vergelijkt spanningsverdelingen voor flens- en schroefdraadmontage en biedt selectiesuggesties voor cyclustoepassingen met hoge temperaturen.

Effect op mechanische integriteit: spanning bij koude pinverbindingen
Voor een titaniumverwarmer met een lengte van 500 mm bedraagt ​​de axiale uitzetting ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm bij verhitting van 20 graden tot 180 graden. De huls wordt stevig vastgehouden in een nippelbevestiging met schroefdraad bij de schroefdraad. Deze beperkte uitzetting genereert een axiale drukspanning van σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Deze spanning wordt onmiddellijk overgebracht naar de koude pinverbinding, waar de mantel verandert van verwarmd naar onverwarmd. Voor een wand van 1,0 mm ligt deze spanning onder de vloeigrens van 275 MPa en vertoont dus elastisch gedrag. Maar veelvuldig rijden veroorzaakt vermoeidheid in het gewricht. Voor een wand van 1,8 mm is de axiale spanning 144 MPa (onafhankelijk van de wanddikte voor een stijve opsluiting), maar de buigstijfheid op de kruising is hoger, waardoor er minder vermogen is om kleine verkeerde uitlijningen te compenseren. Een eindige-elementenanalyse toont aan dat de spanningsconcentratiefactor op de koude pin-overgang toeneemt van 2,5 voor de 1,0 mm wand naar 3,2 voor de 1,8 mm wand, met overeenkomstige plaatselijke piekspanningen van 360 MPa en 460 MPa. De wand van 1,8 mm overschrijdt de lokale vloeigrens, wat resulteert in plastische vervorming bij elke cyclus en snelle vermoeidheidsbreuken.

De verwarmer is met een pakking in een flensmontage bevestigd, hoewel deze niet stevig is bevestigd. Door de flens kan de mantel een beetje door de pakking glijden terwijl deze uitzet. De wrijvingskracht bij de pakking (niet de volledige sectiemodulus) is bestand tegen uitzetting en vermindert de axiale spanning met een factor van 5–10 tot 15–30 MPa. De spanning bij de koude pinverbinding is minder dan 50 MPa, wat binnen de elastische limiet ligt voor zowel 1,0 mm als 1,8 mm wanden. De geflensde montage ontkoppelt in wezen de thermische uitzetting van de koude pinverbinding.

Impact op thermische prestaties: warmteverlies en pakkingschade
De montagemethode heeft ook invloed op de warmteoverdracht op de koude pin. In een nippel met schroefdraad zorgt metaal-op- metaalcontact voor een goede thermische geleiding van de mantel naar de tankwand, waardoor de koude pinverbinding wordt gekoeld en de elektrische afdichting behouden blijft. Maar deze koeling betekent ook warmteverlies, waardoor de systeemefficiëntie met 2 tot 5% afneemt. Bij een flensmontage is de pakking (PTFE of gecomprimeerde vezel in het algemeen) een isolator, waardoor het warmteverlies tot minder dan 1% wordt verminderd, maar de koude pinverbinding heter kan werken. Voor gebruik op 180 graden kan de koude pin op een flensmontage 120-140 graden zijn, waarvoor hogetemperatuurdraden en siliconen- of glasvezelisolatie nodig zijn. De wanddikte heeft weinig invloed op deze warmteverschillen.

Hoe u een montagemethode kiest: een synthese van de afweging-
Montagetype Wanddikte Piekspanning bij koude pin (20 graden tot 180 graden cyclus) Aanbevolen toepassing Warmteverlies Vermoeidheid Levensduur (cycli tot falen)
Schroefdraadnippel 1,0 mm 360 MPa (gelokaliseerd) 5.000 – 10.000 cycli 3 – 5% Lage-cyclustoepassingen (< 5,000 cycles) with thin wall.
Schroefdraadnippel 1,8 mm 460 MPa (gelokaliseerd) 1.000 – 2.000 cycli 3 – 5% Niet aanbevolen - plastische vervorming per cyclus
PTFE-flenspakkingElk (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 cycli < 1% Bij voorkeur voor toepassingen met hoge- cycli of hoge temperaturen.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 graden) waar PTFE afbreekt.
Technische uitbreidingslussen en flexibele verbindingen voorbij de berg
Als de toepassing een montage met schroefdraad vereist (dwz een retrofit in bestaande koppelingen), bevat de verwarmingsbuis een expansielus (bocht van 180 graden) tussen het verwarmde gedeelte en de koude pinverbinding om thermische uitzetting mechanisch te absorberen en spanning bij de koude pin te verminderen, onafhankelijk van de wanddikte. Een bocht van 90 graden met een straal van 50 mm vermindert de overgedragen axiale belasting met 70%. Als alternatief wordt een flexibele metalen slangverbinding gebruikt tussen de verwarmer en de elektrische behuizing om de koude pin te isoleren tegen thermische uitzettingskrachten.

CONCLUSIE: Flensmontage verdient de voorkeur voor gebruik met een hoge thermische cyclus
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). Wanden van 1,8 mm met schroefdraad hebben een levensduur van slechts 1.000–2.000 cycli. De mantel met flensmontage glijdt door de pakking en de piekspanning blijft onder de 50 MPa ongeacht de wanddikte, wat resulteert in > 100.000 cycli. Wanneer installatie met schroefdraad onvermijdelijk is, gebruik dan een dunne wand (minder dan of gelijk aan 1,0 mm) en een expansielus. Voor nieuwe installaties waarbij een hoge duurzaamheid vereist is bij warmtecycli, is de voorkeursspecificatie een flensmontage met PTFE-pakking. De wanddikte wordt bepaald op basis van corrosie- en drukvereisten, en niet op basis van de spanning die wordt veroorzaakt door de montage.