Kā titāna apvalka sildītāja uzstādīšanas metode (ar atloku pret vītņotu nipeli) maina sprieguma sadalījumu aukstās tapas savienojumā, ja to pakļauj termiskai cikliskumam no 20 grādiem uz 180 grādiem?

Pamatkompromiss sildītāja uzstādīšanā augstas{0}}termiskās-cikla apkalpošanai
Titāna apvalkotos sildītājus bieži uzstāda caur tvertnes sienām, izmantojot vai nu atloku savienojumu (pieskrūvēts ar atbilstošo atloku), vai vītņotu nipeli (ieskrūvēts metinātā savienojumā). Aukstās tapas krustojums, kur iekšējās pretestības vads savienojas ar ārējo elektrisko vadu, piedzīvo vislielāko termisko spriegumu, pārvietojoties no apkārtējās vides (20 grādi) uz procesa temperatūru (180 grādi). Veids, kādā apvalks ir uzstādīts, ietekmē veidu, kādā tas izplešas un saraujas attiecībā pret tvertnes fiksēto sienu, un tādējādi tam ir tieša ietekme uz veidu, kādā spriegums tiek sadalīts šajā svarīgajā punktā. Atloku stiprinājums nodrošina zināmu radiālo un aksiālo atbilstību, bet vītņotais nipelis stingri ierobežo apvalku. Sienas biezums mijiedarbojas ar montāžas metodi: Biezāka siena uzlabo aksiālo stingrību un nodod lielāku termisko slodzi uz aukstās tapas savienojumu. Šī analīze salīdzina spriegumu sadalījumu montāžai ar atloku un vītni un sniedz izvēles ieteikumus augstas temperatūras cikla lietojumiem.

Ietekme uz mehānisko integritāti: Aukstās tapas savienojuma stress
Titāna sildītājam, kura garums ir 500 mm, aksiālā izplešanās ir ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm, sildot no 20 grādiem līdz 180 grādiem. Apvalks ir cieši turēts vītņotā nipeļa stiprinājumā pie vītnēm. Šī ierobežotā izplešanās rada aksiālo spiedes spriegumu σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Šis spriegums nekavējoties tiek pārnests uz aukstās tapas savienojumu, kur apvalks mainās no apsildāmas uz neapsildāmu. Sienai, kuras biezums ir 1,0 mm, šis spriegums ir zemāks par tecēšanas robežu 275 MPa, un tādējādi tas parāda elastību. Bet bieža jāšana rada locītavas nogurumu. 1,8 mm sienai aksiālais spriegums ir 144 MPa (neatkarīgi no sienas biezuma stingra ierobežojuma gadījumā), bet lieces stingrība krustojumā ir augstāka, līdz ar to mazāka iespēja kompensēt nelielas novirzes. Galīgo elementu analīze parāda, ka sprieguma koncentrācijas koeficients aukstās tapas krustojumā palielinās no 2, 5 1, 0 mm sienai līdz 3, 2 1, 8 mm sienai ar atbilstošajiem lokalizētajiem maksimālajiem spriegumiem 360 MPa un 460 MPa. 1,8 mm siena pārsniedz vietējo tecēšanas robežu, kā rezultātā katrā ciklā notiek plastiskā deformācija un ātra noguruma atteice.

Sildītājs ir nostiprināts atloku stiprinājumā ar blīvi, lai gan tas nav stingri fiksēts. Atloka ļauj apvalkam nedaudz izslīdēt cauri blīvei, kad tas izplešas. Berzes spēks pie blīves (nav pilna sekcijas modulis) iztur izplešanos un samazina aksiālo spriegumu par koeficientu 5–10 līdz 15–30 MPa. Spriegums pie aukstās tapas savienojuma ir mazāks par 50 MPa, kas ir elastības robežās gan 1,0 mm, gan 1,8 mm sienām. Atloku stiprinājums būtībā atdala termisko izplešanos no aukstās tapas savienojuma.

Ietekme uz termisko veiktspēju: siltuma zudumi un blīves bojājumi
Montāžas metode ietekmē arī siltuma pārnesi pie aukstās tapas. Vītņotajā nipelī metāla -pret-metālu kontakts nodrošina labu siltuma vadītspēju no apvalka līdz tvertnes sieniņai, atdzesējot aukstās tapas savienojumu un uzturot elektrisko blīvējumu. Bet šī dzesēšana nozīmē arī siltuma zudumus, kas samazina sistēmas efektivitāti par 2–5%. Atloku stiprinājumā blīve (PTFE vai saspiesta šķiedra kopumā) ir izolators, kas samazina siltuma zudumus līdz mazāk nekā 1%, bet ļauj aukstās tapas savienojumam darboties karstāk. Darbībai 180 grādos aukstā tapa uz atloku stiprinājuma var būt 120–140 grādi, kam nepieciešami augstas temperatūras svina vadi un silikona vai stiklplasta izolācija. Sienu biezums šīs siltuma atšķirības īpaši neietekmē.

Kā izvēlēties montāžas metodi: tirdzniecības- sintēze
Montāžas veids Sienas biezums Maksimālais spriegums pie aukstās tapas (cikls no 20 līdz 180 grādiem) Ieteicamais pielietojums Siltuma zuduma noguruma ilgums (cikli līdz neveiksmei)
Vītņots nipelis 1,0 mm 360 MPa (lokalizēts) 5000–10 000 cikli 3–5% Zema-cikla lietojumi (< 5,000 cycles) with thin wall.
Vītņots nipelis 1,8 mm 460 MPa (lokalizēts) 1000–2000 cikli 3–5% Nav ieteicama - plastiskā deformācija ciklā
PTFE atloka blīveJebkura (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 ciklu < 1% Vēlama izmantošanai augsta-cikla vai augstas temperatūras apstākļos.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 grādi), kur PTFE sadalās.
Inženiertehniskās paplašināšanas cilpas un elastīgi savienojumi ārpus stiprinājuma
Ja lietojumam ir nepieciešams vītņots stiprinājums (ti, modernizācija esošajos savienojumos), sildītāja caurulē ir izplešanās cilpa (180 grādu izliekums) starp apsildāmo sekciju un aukstās tapas savienojumu, lai mehāniski absorbētu termisko izplešanos un samazinātu spriegumu pie aukstās tapas neatkarīgi no sienas biezuma. 90 grādu līkne ar rādiusu 50 mm samazina pārraidīto aksiālo slodzi par 70%. Alternatīvi, starp sildītāju un elektrisko korpusu tiek izmantots elastīgs metāla šļūtenes savienojums, lai aukstu tapu izolētu no termiskās izplešanās spēkiem.

SECINĀJUMS: Atloka stiprinājums vēlams augsta termiskā cikla apkalpošanai
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). Vītņotām 1,8 mm sienām noguruma kalpošanas laiks ir tikai 1000–2000 ciklu. Apvalks ar atloku stiprinājumu izslīd cauri blīvei, un maksimālais spriegums paliek zem 50 MPa neatkarīgi no sienas biezuma, kā rezultātā rodas > 100 000 ciklu. Ja uzstādīšana ar vītni ir neizbēgama, izmantojiet plānu sienu (mazāku vai vienādu ar 1,0 mm) un izplešanās cilpu. Jaunām instalācijām, kur siltuma cikla laikā ir nepieciešama augsta izturība, izvēles specifikācija ir atloku stiprinājums ar PTFE blīvi. Sienas biezums tiek iestatīts, pamatojoties uz prasībām pret koroziju un spiedienu, nevis uz stiprinājuma radīto spriegumu.