W jaki sposób metoda montażu grzejnika z osłoną tytanową (złączka kołnierzowa a złączka gwintowana) zmienia rozkład naprężeń na złączu zimnego sworznia po poddaniu go cyklom termicznym od 20 stopni do 180 stopni?

Podstawowy kompromis w montażu grzejnika w przypadku usług o wysokim-cyklu-termicznym
Grzejniki w obudowie tytanowej są często instalowane przez ściany zbiornika za pomocą połączenia kołnierzowego (przykręconego do odpowiedniego kołnierza) lub gwintowanej złączki (wkręconej w złącze spawane). Zimne złącze pinowe, w którym wewnętrzny przewód oporowy łączy się z zewnętrznym przewodem elektrycznym, podlega największym naprężeniom termicznym podczas zmiany temperatury od temperatury otoczenia (20 stopni) do temperatury procesu (180 stopni). Sposób zamontowania osłony wpływa na sposób jej rozszerzania i kurczenia się w stosunku do nieruchomej ścianki zbiornika, a tym samym ma bezpośredni wpływ na sposób rozkładu naprężeń w tym istotnym miejscu. Mocowanie kołnierzowe zapewnia pewną podatność promieniową i osiową, ale gwintowana złączka sztywno utrzymuje osłonę. Grubość ścianki wpływa na metodę montażu: Grubsza ścianka poprawia sztywność osiową i przenosi większe naprężenia termiczne na połączenie zimnego sworznia. Analiza ta porównuje rozkłady naprężeń dla montażu kołnierzowego i gwintowego oraz dostarcza sugestii dotyczących wyboru dla zastosowań z cyklami wysokotemperaturowymi.

Wpływ na integralność mechaniczną: Naprężenie złącza zimnego sworznia
W przypadku grzejnika tytanowego o długości 500 mm rozszerzalność osiowa wynosi ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm po podgrzaniu od 20 stopni do 180 stopni. Osłona jest ściśle zamocowana w gwintowanym uchwycie smoczka na gwintach. To ograniczone rozszerzanie generuje osiowe naprężenie ściskające o wartości σ_osiowe=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. To napięcie jest natychmiast przenoszone na złącze zimnego sworznia, gdzie powłoka zmienia się z nagrzanej na nieogrzewaną. Dla ściany o grubości 1,0 mm naprężenie to jest poniżej granicy plastyczności 275 MPa, a zatem wykazuje zachowanie sprężyste. Jednak częsta jazda powoduje zmęczenie stawów. Dla ściany o grubości 1,8 mm naprężenie osiowe wynosi 144 MPa (niezależnie od grubości ściany w przypadku sztywnego wiązania), ale sztywność zginania w miejscu połączenia jest większa, a zatem mniejsza zdolność kompensacji niewielkich niewspółosiowości. Analiza metodą elementów skończonych pokazuje, że współczynnik koncentracji naprężeń na złączu zimnego sworznia wzrasta z 2,5 dla ścianki o grubości 1,0 mm do 3,2 dla ścianki o grubości 1,8 mm, przy odpowiadających im miejscowych naprężeniach szczytowych wynoszących 360 MPa i 460 MPa. Ścianka o grubości 1,8 mm przekracza lokalną granicę plastyczności, co powoduje odkształcenie plastyczne w każdym cyklu i szybkie zniszczenie zmęczeniowe.

Grzejnik mocowany jest w uchwycie kołnierzowym z uszczelką, choć nie jest on zamocowany na sztywno. Kołnierz umożliwia lekkie przesunięcie osłony przez uszczelkę w miarę jej rozszerzania. Siła tarcia na uszczelce (nie pełny moduł przekroju) wytrzymuje rozszerzanie i zmniejsza naprężenia osiowe o współczynnik od 5–10 do 15–30 MPa. Naprężenie na złączu zimnego sworznia jest mniejsze niż 50 MPa, co mieści się w granicy sprężystości zarówno dla ścianek o grubości 1,0 mm, jak i 1,8 mm. Mocowanie kołnierzowe zasadniczo oddziela rozszerzalność cieplną od złącza zimnego styku.

Wpływ na wydajność cieplną: utrata ciepła i uszkodzenie uszczelki
Sposób montażu wpływa również na przenoszenie ciepła na zimnym sworzniu. W gwintowanej złączce styk--metalu z metalem zapewnia dobre przewodzenie ciepła od osłony do ścianki zbiornika, chłodząc złącze zimnego styku i utrzymując szczelność elektryczną. Ale to chłodzenie oznacza również utratę ciepła, co zmniejsza wydajność systemu o 2–5%. W przypadku montażu kołnierzowego uszczelka (ogólnie PTFE lub sprężone włókno) jest izolatorem, zmniejszającym straty ciepła do mniej niż 1%, ale pozwalającym na wyższą temperaturę złącza zimnego styku. W przypadku pracy w temperaturze 180 stopni, zimny sworzeń na uchwycie kołnierzowym może mieć temperaturę 120-140 stopni, co wymaga przewodów prowadzących o wysokiej temperaturze i izolacji z silikonu lub włókna szklanego. Grubość ścianki nie wpływa znacząco na te różnice cieplne.

Jak wybrać metodę montażu: synteza kompromisu-
Typ mocowania Grubość ścianki Naprężenie szczytowe przy zimnym sworzniu (cykl od 20 stopni do 180 stopni) Zalecane zastosowanie Strata ciepła Trwałość zmęczeniowa (cykle do awarii)
Złączka gwintowana 1,0 mm 360 MPa (lokalnie) 5 000–10 000 cykli 3–5% Zastosowania nisko-cykliczne (< 5,000 cycles) with thin wall.
Złączka gwintowana 1,8 mm 460 MPa (lokalnie) 1 000 – 2 000 cykli 3 – 5% Niezalecane - odkształcenie plastyczne na cykl
Uszczelka kołnierza PTFE Dowolna (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 cykli < 1% Preferowana do zastosowań wymagających-wysokocyklowych lub wysokotemperaturowych.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 stopni), w którym PTFE ulega rozkładowi.
Inżynierskie pętle rozszerzeń i elastyczne połączenia poza uchwytem
Jeżeli zastosowanie wymaga montażu gwintowanego (tzn. modernizacji istniejących złączy), rura grzejna zawiera pętlę rozprężną (zagięcie o 180 stopni) pomiędzy sekcją podgrzewaną a złączem zimnego sworznia, aby mechanicznie absorbować rozszerzalność cieplną i zmniejszać naprężenia na zimnym sworzniu niezależnie od grubości ścianki. Zakrzywienie pod kątem 90 stopni i promieniu 50 mm zmniejsza przenoszone obciążenie osiowe o 70%. Alternatywnie, pomiędzy grzejnikiem a obudową elektryczną można zastosować elastyczne połączenie węża metalowego, aby odizolować zimny pin przed siłami rozszerzalności cieplnej.

WNIOSEK: W przypadku pracy z wysokim cyklem cieplnym preferowane jest mocowanie kołnierzowe
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). Gwintowane ścianki o grubości 1,8 mm mają trwałość zmęczeniową wynoszącą zaledwie 1000–2000 cykli. Płaszcz z mocowaniem kołnierzowym przesuwa się przez uszczelkę, a szczytowe naprężenie utrzymuje się poniżej 50 MPa niezależnie od grubości ścianki, co daje > 100 000 cykli. Tam, gdzie nie da się uniknąć montażu gwintowanego, należy zastosować cienką ściankę (mniejszą lub równą 1,0 mm) i pętlę dylatacyjną. W przypadku nowych instalacji, gdzie wymagana jest wysoka trwałość w przypadku cykli temperaturowych, wybieraną specyfikacją jest mocowanie kołnierzowe z uszczelką PTFE. Grubość ścianki ustalana jest na podstawie wymagań dotyczących korozji i ciśnienia, a nie naprężeń spowodowanych montażem.