چگونه روش نصب یک بخاری غلاف تیتانیوم (ناپپل فلنجی در مقابل رزوه ای) توزیع تنش در محل اتصال پین سرد را در هنگام چرخش حرارتی از 20 درجه به 180 درجه تغییر می دهد؟

مصالحه اساسی در نصب بخاری برای خدمات سیکل-حرارتی{{1} بالا
بخاری های تیتانیومی اغلب از طریق دیواره های مخزن با استفاده از یک اتصال فلنجی (پیچ و مهره شده به فلنج مربوطه) یا یک نوک رزوه ای (پیچ شده به یک کوپلینگ جوشی) نصب می شوند. محل اتصال پین سرد، جایی که سیم مقاومت داخلی به سرب الکتریکی خارجی می پیوندد، بیشترین تنش حرارتی را در طول چرخه از محیط (20 درجه) تا دمای فرآیند (180 درجه) تجربه می کند. نحوه نصب غلاف بر نحوه انبساط و انقباض آن نسبت به دیواره ثابت مخزن تأثیر می گذارد و بنابراین تأثیر مستقیمی بر نحوه توزیع تنش در این مقطع حیاتی دارد. پایه فلنجی انطباق شعاعی و محوری را فراهم می کند، اما نوک نخی رزوه ای غلاف را به شدت محدود می کند. ضخامت دیوار با روش نصب در تعامل است: دیوار ضخیم تر سفتی محوری را بهبود می بخشد و کرنش حرارتی بیشتری را به اتصال پین سرد منتقل می کند. این تجزیه و تحلیل توزیع تنش را برای نصب فلنجی و رزوه ای مقایسه می کند و پیشنهادات انتخابی را برای کاربردهای چرخه دمای بالا ارائه می دهد.

اثر بر یکپارچگی مکانیکی: تنش اتصال پین سرد
برای بخاری تیتانیومی با طول 500 میلی‌متر، انبساط محوری هنگام گرم شدن از 20 درجه تا 180 درجه، ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 میلی‌متر است. غلاف محکم در یک پایه نخی نخی روی نخ ها نگه داشته می شود. این انبساط محدود تنش فشاری محوری σ_محوری=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 مگاپاسکال ایجاد می‌کند. این کشش بلافاصله به محل اتصال پین سرد منتقل می شود، جایی که غلاف از گرم به گرم نشده تغییر می کند. برای دیوار 1.0 میلی متری، این تنش کمتر از مقاومت تسلیم 275 مگاپاسکال است و بنابراین رفتار کشسانی را نشان می دهد. اما سواری مکرر باعث ایجاد خستگی در مفصل می شود. برای یک دیوار 1.8 میلی متری، تنش محوری 144 مگاپاسکال است (مستقل از ضخامت دیوار برای یک محدودیت صلب) اما سفتی خمشی در محل اتصال بالاتر است، بنابراین توانایی کمتری برای جبران ناهماهنگی های جزئی دارد. تجزیه و تحلیل اجزای محدود نشان می‌دهد که ضریب تمرکز تنش در اتصال پین سرد از 2.5 برای دیوار 1.0 میلی‌متری به 3.2 برای دیوار 1.8 میلی‌متری، با تنش‌های اوج موضعی متناظر 360 MPa و 460 MPa افزایش می‌یابد. دیواره 1.8 میلی متری از قدرت تسلیم محلی فراتر می رود و در نتیجه تغییر شکل پلاستیک در هر چرخه و شکست سریع خستگی ایجاد می شود.

بخاری در یک پایه فلنجی با یک واشر بسته می شود، اگرچه به طور سفت و سخت ثابت نشده است. فلنج به غلاف اجازه می دهد تا با انبساط آن کمی از میان واشر بلغزد. نیروی اصطکاک در واشر (نه مدول مقطع کامل) در برابر انبساط مقاومت می کند و تنش محوری را با ضریب 5-10 تا 15-30 MPa کاهش می دهد. تنش در محل اتصال پین سرد کمتر از 50 مگاپاسکال است که برای دیوارهای 1.0 میلی متر و 1.8 میلی متر در محدوده الاستیک است. پایه فلنجی اساساً انبساط حرارتی را از محل اتصال پین سرد جدا می کند.

تاثیر بر عملکرد حرارتی: اتلاف حرارت و آسیب واشر
روش نصب همچنین بر انتقال حرارت در پین سرد تأثیر می گذارد. در یک نوک نخی، تماس فلزی-به-فلز، رسانایی حرارتی خوبی از غلاف به دیواره مخزن می‌دهد، محل اتصال پین سرد را خنک می‌کند و مهر و موم الکتریکی را حفظ می‌کند. اما این خنک کننده همچنین به معنای از دست دادن گرما است که بازده سیستم را 2-5٪ کاهش می دهد. در یک پایه فلنجی، واشر (PTFE یا فیبر فشرده به طور کلی) یک عایق است که تلفات حرارتی را به کمتر از 1٪ کاهش می دهد، اما به اتصال پین سرد اجازه می دهد تا گرمتر کار کند. برای عملکرد در 180 درجه، پین سرد روی یک پایه فلنجی می تواند 120-140 درجه باشد که نیاز به سیم های سربی با دمای بالا و عایق سیلیکونی یا فایبرگلاس دارد. ضخامت دیواره تاثیر زیادی بر این تفاوت های حرارتی ندارد.

نحوه انتخاب روش نصب: ترکیبی از تجارت-خاموش
نوع نصب ضخامت دیواره حداکثر تنش در پین سرد (سیکل 20 درجه تا 180 درجه) عمر خستگی از دست دادن حرارت توصیه شده (چرخه تا شکست)
نوک رزوه ای 1.0 میلی متر 360 مگاپاسکال (محلی) 5000 - 10000 چرخه 3 - 5% کم-کاربردهای چرخه (< 5,000 cycles) with thin wall.
نوک رزوه ای 1.8 میلی متر 460 مگاپاسکال (محلی) 1000 - 2000 چرخه 3 - 5٪ توصیه نمی شود - تغییر شکل پلاستیک در هر چرخه
واشر فلنج PTFE هر (1.0{5}}1.8 میلی متر) < 50 مگاپاسکال > 100000 چرخه < 1% ترجیح داده شده برای کاربردهای چرخه یا دمای بالا.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 درجه) که در آن PTFE خراب می شود.
حلقه های توسعه مهندسی و اتصالات انعطاف پذیر فراتر از کوه
اگر کاربرد نیاز به نصب رزوه ای داشته باشد (یعنی مقاوم سازی در کوپلینگ های موجود)، لوله بخاری حاوی یک حلقه انبساط (خمش 180 درجه) بین بخش گرم شده و اتصال پین سرد است تا به طور مکانیکی انبساط حرارتی را جذب کند و استرس را در پین سرد مستقل از ضخامت دیواره کاهش دهد. منحنی 90 درجه به شعاع 50 میلی متر بار محوری ارسالی را تا 70 درصد کاهش می دهد. از طرف دیگر، یک اتصال شلنگ فلزی انعطاف‌پذیر بین بخاری و محفظه الکتریکی برای عایق‌سازی پین سرد از نیروهای انبساط حرارتی استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیری: پایه فلنج برای سرویس چرخه حرارتی بالا ترجیح داده می‌شود
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 میلی متر). دیوارهای رزوه‌شده 1.8 میلی‌متری دارای عمر خستگی 1000 تا 2000 چرخه هستند. غلاف با نصب فلنجی از میان واشر می لغزد و تنش اوج بدون توجه به ضخامت دیواره زیر 50 مگاپاسکال باقی می ماند و در نتیجه بیش از 100000 چرخه ایجاد می شود. در مواردی که نصب رزوه اجتناب ناپذیر است از دیوار نازک (کمتر یا مساوی 1.0 میلی متر) و یک حلقه انبساط استفاده کنید. برای نصب های جدید که در آن ها به دوام بالا در چرخه حرارتی نیاز است، مشخصات انتخابی یک پایه فلنج دار با واشر PTFE است. ضخامت دیوار بر اساس نیازهای خوردگی و فشار تنظیم می شود و نه تنش ناشی از نصب.