Hur ändrar metoden för montering av en titanmantelvärmare (flänsad vs. gängad nippel) spänningsfördelningen vid den kalla stiftövergången när den utsätts för termisk cykling från 20 grader till 180 grader?

Den grundläggande kompromissen vid montering av en värmare för hög-termisk-service
Titaninkapslade värmare installeras ofta genom tankväggar med antingen en flänsanslutning (skruvad till en motsvarande fläns) eller en gängad nippel (skruvad i en svetsad koppling). Den kalla stiftövergången, där den interna motståndstråden ansluter till den externa elektriska ledningen, utsätts för den mest termiska spänningen under cykling från omgivningstemperatur (20 grader) till processtemperatur (180 grader). Sättet på vilket höljet monteras påverkar sättet på vilket det expanderar och drar ihop sig i förhållande till tankens fasta vägg och har sålunda en direkt effekt på sättet på vilket spänningen fördelas vid denna vitala träffpunkt. Det flänsförsedda fästet ger viss radiell och axiell eftergivlighet, men den gängade nippeln begränsar manteln stelt. Väggtjocklek samverkar med monteringsmetod: Tjockare vägg förbättrar den axiella styvheten och överför större termisk belastning till den kalla stiftanslutningen. Denna analys jämför spänningsfördelningar för flänsförsedda och gängade monteringar, och ger valförslag för applikationer med hög temperaturcykel.

Effekt på mekanisk integritet: Cold Pin Junction Stress
För en titanvärmare på 500 mm längd är den axiella expansionen ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm vid uppvärmning från 20 grader till 180 grader. Slidan hålls hårt i ett gängat nippelfäste vid gängorna. Denna begränsade expansion genererar en axiell tryckspänning på σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa. Denna spänning överförs omedelbart till den kalla stiftövergången där manteln ändras från uppvärmd till ouppvärmd. För en vägg på 1,0 mm är denna spänning under sträckgränsen på 275 MPa och visar därför ett elastiskt beteende. Men frekvent ridning ger trötthet i leden. För en 1,8 mm vägg är den axiella spänningen 144 MPa (oberoende av väggtjocklek för en styv begränsning) men böjstyvheten vid korsningen är högre, därför mindre förmåga att kompensera små snedställningar. En finita elementanalys visar att spänningskoncentrationsfaktorn vid kallstiftsövergången ökar från 2,5 för 1,0 mm väggen till 3,2 för 1,8 mm väggen, med motsvarande lokaliserade toppspänningar på 360 MPa och 460 MPa. Väggen på 1,8 mm överstiger den lokala sträckgränsen, vilket resulterar i plastisk deformation varje cykel och snabbt utmattningsfel.

Värmaren är fäst i ett flänsfäste med en packning, även om det inte är fast fixerat. Flänsen gör att manteln kan glida lite genom packningen när den expanderar. Friktionskraften vid packningen (ej fullsektionsmodul) motstår expansion och minskar den axiella spänningen med en faktor på 5–10 till 15–30 MPa. Spänningen vid kallstiftsövergången är mindre än 50 MPa, vilket är inom elasticitetsgränsen för både 1,0 mm och 1,8 mm väggar. Det flänsförsedda fästet frikopplar i huvudsak den termiska expansionen från den kalla stiftövergången.

Inverkan på termisk prestanda: Värmeförlust och packningsskador
Monteringsmetoden påverkar även värmeöverföringen vid kallstiftet. I en gängad nippel ger metall-till-metallkontakt god värmeledning från manteln till tankväggen, kyler den kalla stiftövergången och bibehåller den elektriska tätningen. Men denna kylning innebär också värmeförlust, vilket minskar systemets effektivitet med 2–5 %. I ett flänsfäste är packningen (PTFE eller komprimerad fiber i allmänhet) en isolator, vilket minskar värmeförlusten till mindre än 1 %, men tillåter den kalla stiftövergången att fungera varmare. För drift vid 180 grader kan kallstiftet på ett flänsförsett fäste vara 120-140 grader vilket kräver högtemperaturledningstrådar och silikon- eller glasfiberisolering. Väggtjockleken påverkar inte dessa värmeskillnader särskilt mycket.

Hur man väljer en monteringsmetod: en sammanfattning av avvägningen-
Monteringstyp Väggtjocklek Toppspänning vid kalltapp (20 grader till 180 graders cykel) Rekommenderad applikation Värmeförlust Utmattningslivslängd (cykler till fel)
Gängad nippel 1,0 mm 360 MPa (lokaliserad) 5 000 – 10 000 cykler 3 – 5 % Låg-applikationer (< 5,000 cycles) with thin wall.
Gängad nippel 1,8 mm 460 MPa (lokaliserad) 1 000 – 2 000 cykler 3 – 5 % Rekommenderas inte - plastisk deformation per cykel
PTFE-flänspackning Vilken som helst (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 cykler < 1 % Föredragen för tillämpningar med hög-cykel eller hög temperatur.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 grader) där PTFE bryts ner.
Tekniska expansionsslingor och flexibla anslutningar bortom fästet
Om applikationen kräver en gängad montering (dvs en eftermontering i befintliga kopplingar), innehåller värmeröret en expansionsslinga (180 graders böj) mellan den uppvärmda sektionen och den kalla stiftövergången för att mekaniskt absorbera termisk expansion och minska spänningen vid den kalla stiftet oberoende av väggtjocklek. En 90 graders kurva med radie 50 mm minskar den överförda axiallasten med 70 %. Alternativt används en flexibel metallslanganslutning mellan värmaren och det elektriska höljet för att isolera det kalla stiftet från termiska expansionskrafter.

SLUTSATS: Flänsfäste föredras för service med hög termisk cykel
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). Gängade 1,8 mm väggar har en utmattningslivslängd på endast 1 000–2 000 cykler. Manteln med flänsad montering glider genom packningen och toppspänningen förblir under 50 MPa oavsett väggtjocklek, vilket resulterar i > 100 000 cykler. Om gängad installation är oundviklig använd tunnvägg (mindre än eller lika med 1,0 mm) och en expansionsögla. För nya installationer där hög hållbarhet krävs under värmecykling, är specifikationen att välja ett flänsfäste med PTFE-packning. Väggtjockleken ställs in utifrån korrosions- och tryckkrav, och inte påfrestningarna som orsakas av monteringen.