Kuinka titaanivaippaisen lämmittimen asennusmenetelmä (laipallinen vs. kierteinen nippa) muuttaa jännityksen jakautumista kylmätappiliitoksessa, kun se altistetaan lämpöpyöräilylle 20 astetta 180 asteeseen?
Jätä viesti
Peruskompromissi lämmittimen asennuksessa korkean{0}}lämpö-jaksopalveluun
Titaanikoteloidut lämmittimet asennetaan usein säiliön seinien läpi joko laippaliitännällä (pultattu vastaavaan laippaan) tai kierrenippalla (kierretty hitsattuihin liittimiin). Kylmänastaliitos, jossa sisäinen vastuslanka liittyy ulkoiseen sähköjohtoon, kokee suurimman lämpörasituksen siirtyessään ympäristön lämpötilasta (20 astetta) prosessilämpötilaan (180 astetta). Tapa, jolla vaippa asennetaan, vaikuttaa tapaan, jolla se laajenee ja supistuu suhteessa säiliön kiinteään seinämään, ja siten sillä on suora vaikutus tapaan, jolla jännitys jakautuu tässä tärkeässä kohdassa. Laipallinen kiinnitys tarjoaa jonkin verran säteittäistä ja aksiaalista yhteensopivuutta, mutta kierteinen nippa rajoittaa vaippaa jäykästi. Seinämän paksuus vaikuttaa kiinnitysmenetelmään: Paksumpi seinä parantaa aksiaalista jäykkyyttä ja siirtää suuremman lämpörasituksen kylmätappiliittimeen. Tämä analyysi vertailee jännitysjakaumia laippa- ja kierreasennuksessa ja tarjoaa valintaehdotuksia korkean lämpötilan syklisovelluksiin.
Vaikutus mekaaniseen eheyteen: kylmätastaliitoksen jännitys
500 mm pituisen titaanilämmittimen aksiaalinen laajeneminen on ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm kuumennettaessa 20 astetta 180 asteeseen. Vaippa on tiukasti kiinni kierteitetyssä nippakiinnityksessä kierteiden kohdalta. Tämä rajoitettu laajeneminen synnyttää aksiaalisen puristusjännityksen σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Tämä jännitys siirtyy välittömästi kylmätappiliitokseen, jossa vaippa muuttuu lämmitetystä lämmittämättömäksi. 1,0 mm:n seinämillä tämä jännitys on alle 275 MPa:n myötölujuuden ja osoittaa siten elastista käyttäytymistä. Mutta toistuva ratsastus aiheuttaa väsymystä nivelessä. 1,8 mm:n seinälle aksiaalinen jännitys on 144 MPa (riippumatta seinämän paksuudesta jäykällä rajoituksella), mutta taivutusjäykkyys liitoskohdassa on suurempi, joten kyky kompensoida pieniä kohdistusvirheitä on pienempi. Elementtianalyysi osoittaa, että jännityskonsentraatiokerroin kylmätappiliitoksessa kasvaa 2,5:stä 1,0 mm:n seinälle 3,2:een 1,8 mm:n seinälle vastaavien paikallisten huippujännitysten ollessa 360 MPa ja 460 MPa. 1,8 mm seinä ylittää paikallisen myötörajan, mikä johtaa plastiseen muodonmuutokseen joka syklissä ja nopeaan väsymisvaurioon.
Kiuas on kiinnitetty laippakiinnikkeeseen tiivisteellä, vaikka sitä ei olekaan kiinnitetty jäykästi. Laippa sallii suojuksen liukua hieman tiivisteen läpi sen laajentuessa. Tiivisteen kitkavoima (ei koko osan moduuli) vastustaa laajenemista ja vähentää aksiaalista jännitystä kertoimella 5-10 15-30 MPa:iin. Jännitys kylmätappiliitoksessa on alle 50 MPa, mikä on sekä 1,0 mm:n että 1,8 mm:n seinien elastisuusrajan sisällä. Laipallinen kiinnike erottaa olennaisesti lämpölaajenemisen kylmätappiliitoksesta.
Vaikutus lämpötehoon: lämpöhäviö ja tiivisteiden vaurioituminen
Asennustapa vaikuttaa myös lämmönsiirtoon kylmätapin kohdalla. Kierteitetyssä nippassa metalli---metallikontakti antaa hyvän lämmönjohtavuuden vaipasta säiliön seinämään, jäähdyttäen kylmätappiliitosta ja ylläpitäen sähkötiivistettä. Mutta tämä jäähdytys tarkoittaa myös lämpöhäviötä, joka vähentää järjestelmän tehokkuutta 2–5 %. Laipallisessa kiinnikkeessä tiiviste (PTFE tai puristettu kuitu yleensä) on eriste, joka vähentää lämpöhäviön alle 1 prosenttiin, mutta antaa kylmätappiliitoksen toimia kuumemmin. Käytettäessä 180 astetta, laipallisen kiinnityksen kylmätappi voi olla 120-140 astetta, jolloin tarvitaan korkean lämpötilan lyijyjohtoja ja silikoni- tai lasikuitueristystä. Seinämän paksuus ei vaikuta näihin lämpöeroihin paljoa.
Asennustavan valitseminen: Kaupan synteesi-pois
Asennustyyppi Seinän paksuus Huippujännitys kylmätapin kohdalla (20 asteen - 180 asteen sykli) Suositeltu sovelluksen lämpöhäviön väsymisikä (syklit epäonnistumiseen)
Kierrenippa 1,0 mm 360 MPa (paikallinen) 5 000 – 10 000 sykliä 3 – 5 % Matala-jaksosovellukset (< 5,000 cycles) with thin wall.
Kierrenippa 1,8 mm 460 MPa (lokalisoitu) 1 000 – 2 000 sykliä 3 – 5 % Ei suositella - plastinen muodonmuutos per sykli
PTFE-laippatiiviste Mikä tahansa (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 jaksoa < 1 % Suositellaan korkean -syklin tai korkean lämpötilan sovelluksiin.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 astetta), jossa PTFE hajoaa.
Tekniset laajennussilmukat ja joustavat liitännät telineen ulkopuolella
Jos sovellus vaatii kierrekiinnitystä (eli jälkiasennusta olemassa oleviin liittimiin), lämmitinputkessa on laajennussilmukka (180 asteen mutka) lämmitettävän osan ja kylmätappiliitoksen välillä, joka absorboi mekaanisesti lämpölaajenemisen ja vähentää kylmän tapin jännitystä seinämän paksuudesta riippumatta. 90 asteen käyrä, jonka säde on 50 mm, vähentää siirrettyä aksiaalista kuormitusta 70 %. Vaihtoehtoisesti lämmittimen ja sähkökotelon välillä käytetään joustavaa metalliletkuliitäntää kylmätapin eristämiseksi lämpölaajenemisvoimista.
PÄÄTELMÄ: Laippakiinnitys suositeltava korkean lämpösyklin huoltoon
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). Kierteitetyt 1,8 mm seinät kestävät vain 1 000–2 000 sykliä. Laipallinen suojus liukuu tiivisteen läpi ja huippujännitys pysyy alle 50 MPa:ssa seinän paksuudesta riippumatta, mikä johtaa > 100 000 jaksoon. Jos kierreasennusta ei voida välttää, käytä ohutta seinää (vähintään 1,0 mm) ja laajennussilmukkaa. Uusiin asennuksiin, joissa vaaditaan suurta kestävyyttä lämpökierron aikana, valittavana on laippakiinnitys PTFE-tiivisteellä. Seinän paksuus määräytyy korroosio- ja painevaatimusten perusteella, ei asennuksen aiheuttaman rasituksen perusteella.
