Kako metoda montaže grijača s plaštom od titana (s prirubnicom u odnosu na navojnu nazuvicu) mijenja raspodjelu naprezanja na hladnom spoju zatika kada je podvrgnut toplinskom ciklusu od 20 stupnjeva do 180 stupnjeva?

Osnovni kompromis u postavljanju grijača za visok-toplinski-ciklus
Grijači s kućištem od titana često se ugrađuju kroz stijenke spremnika pomoću spoja s prirubnicom (pričvršćen na odgovarajuću prirubnicu) ili spojnice s navojem (uvijene u zavarenu spojku). Hladno igličasto spajanje, gdje se unutarnja otporna žica spaja s vanjskim električnim vodom, doživljava najveće toplinsko naprezanje tijekom promjene temperature okoline (20 stupnjeva) na temperaturu procesa (180 stupnjeva). Način na koji je omotač montiran utječe na način na koji se širi i skuplja u odnosu na fiksnu stijenku spremnika i, stoga, ima izravan učinak na način na koji se stres raspoređuje na ovom vitalnom spoju. Montaža s prirubnicom osigurava određenu radijalnu i aksijalnu popustljivost, ali navojna nazuvica kruto ograničava omotač. Debljina stijenke ovisi o načinu montaže: Deblja stijenka poboljšava aksijalnu krutost i prenosi veće toplinsko naprezanje na hladni spoj klina. Ova analiza uspoređuje raspodjele naprezanja za montažu s prirubnicom i navojem i daje prijedloge za odabir za primjene ciklusa visokih temperatura.

Učinak na mehaničku cjelovitost: hladno naprezanje spoja igle
Za titanski grijač duljine 500 mm, aksijalno širenje je ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm kada se zagrije od 20 stupnjeva do 180 stupnjeva. Plašt je čvrsto pričvršćen 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 hladni spoj igle gdje se omotač mijenja iz grijanog u nezagrijani. Za stijenku od 1,0 mm, ovo naprezanje je ispod granice razvlačenja od 275 MPa, pa pokazuje elastično ponašanje. Ali često jahanje proizvodi umor u zglobu. Za zid od 1,8 mm aksijalno naprezanje je 144 MPa (neovisno o debljini zida za kruto ograničenje), ali je krutost na savijanje na spoju veća, stoga je manja sposobnost kompenziranja manjih odstupanja. Analiza konačnih elemenata pokazuje da se faktor koncentracije naprezanja na hladnom spoju pinova povećava s 2,5 za stijenku od 1,0 mm na 3,2 za stijenku od 1,8 mm, s odgovarajućim lokaliziranim vršnim naprezanjima od 360 MPa i 460 MPa. Stjenka od 1,8 mm premašuje lokalnu granicu tečenja, što rezultira plastičnom deformacijom u svakom ciklusu i brzim kvarom uslijed zamora.

Grijač je pričvršćen u prirubnički nosač s brtvom, iako nije kruto pričvršćen. Prirubnica omogućuje da omotač malo sklizne kroz brtvu dok se širi. Sila trenja na brtvi (ne puni modul presjeka) opire se širenju i smanjuje aksijalno naprezanje za faktor od 5-10 do 15-30 MPa. Naprezanje na hladnom spoju zatika manje je od 50 MPa, što je unutar granice elastičnosti za stijenke od 1,0 mm i 1,8 mm. Montaža s prirubnicom u biti odvaja toplinsko širenje od hladnog spoja igle.

Utjecaj na toplinsku izvedbu: gubitak topline i oštećenje brtve
Način montaže također utječe na prijenos topline na hladnoj igli. U spojnici s navojem, kontakt metal-na-metal daje dobru toplinsku vodljivost od plašta do stijenke spremnika, hladeći hladni spoj igle i održavajući električno brtvljenje. Ali ovo hlađenje također znači gubitak topline, što smanjuje učinkovitost sustava za 2-5%. U montiranju s prirubnicom, brtva (PTFE ili komprimirana vlakna općenito) je izolator, smanjujući gubitak topline na manje od 1%, ali dopuštajući hladnom spoju igle da radi toplije. Za rad na 180 stupnjeva, hladna igla na nosaču s prirubnicom može biti 120-140 stupnjeva za koje su potrebne visokotemperaturne žice i izolacija od silikona ili stakloplastike. Debljina stijenke ne utječe mnogo na te toplinske razlike.

Kako odabrati metodu montaže: Sinteza kompromisa-
Vrsta montaže Debljina zida Maksimalno naprezanje na hladnom klinu (ciklus od 20 stupnjeva do 180 stupnjeva) Preporučena primjena Gubitak topline Zamorni život (ciklusi do kvara)
Navojna nazuvica 1,0 mm 360 MPa (lokalizirano) 5.000 – 10.000 ciklusa 3 – 5% primjene s niskim-ciklusima (< 5,000 cycles) with thin wall.
Navojna nazuvica 1,8 mm 460 MPa (lokalizirano) 1.000 – 2.000 ciklusa 3 – 5% Ne preporučuje se - plastična deformacija po ciklusu
PTFE brtva prirubnice Bilo koja (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 ciklusa < 1% Preferirano za visoko-ciklusne ili visokotemperaturne primjene.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 stupnjeva) gdje se PTFE raspada.
Inženjerske petlje za proširenje i fleksibilne veze izvan nosača
Ako primjena zahtijeva montažu s navojem (tj. naknadnu ugradnju u postojeće spojnice), cijev grijača sadrži ekspanzionu petlju (savijanje od 180 stupnjeva) između grijanog dijela i hladnog spoja zatika kako bi se mehanički apsorbiralo toplinsko širenje i smanjio stres na hladnom zatiču neovisno o debljini stijenke. Krivulja od 90 stupnjeva polumjera 50 mm smanjuje preneseno aksijalno opterećenje za 70%. Alternativno, između grijača i električnog kućišta koristi se spoj fleksibilnog metalnog crijeva za izolaciju hladne igle od sila toplinske ekspanzije.

ZAKLJUČAK: Montaža s prirubnicom poželjna je za usluge visokog toplinskog ciklusa
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). Navojne stijenke od 1,8 mm imaju vijek trajanja od samo 1000–2000 ciklusa. Plašt s prirubničkom montažom klizi kroz brtvu, a vršno naprezanje ostaje ispod 50 MPa bez obzira na debljinu stijenke, što rezultira > 100 000 ciklusa. Tamo gdje je ugradnja s navojem neizbježna, koristite tanku stijenku (Manje od ili jednako 1,0 mm) i ekspanzionu petlju. Za nove instalacije gdje je potrebna visoka izdržljivost pod toplinskim ciklusima, specifikacija izbora je prirubnički nosač s PTFE brtvom. Debljina stijenke postavlja se na temelju zahtjeva za koroziju i tlak, a ne naprezanja uzrokovanog montažom.