टाइटेनियम शीथेड हीटर (फ्लैंग्ड बनाम थ्रेडेड निपल) को माउंट करने की विधि 20 डिग्री से 180 डिग्री तक थर्मल साइक्लिंग के अधीन होने पर कोल्ड पिन जंक्शन पर तनाव वितरण को कैसे बदल देती है?

उच्च-थर्मल{{1}साइकिल सेवा के लिए हीटर स्थापित करने में बुनियादी समझौता
टाइटेनियम से घिरे हीटर अक्सर टैंक की दीवारों के माध्यम से या तो एक फ़्लैंग्ड कनेक्शन (संबंधित फ़्लैंज से बोल्ट किया हुआ) या एक थ्रेडेड निपल (एक वेल्डेड युग्मन में पेंच) का उपयोग करके स्थापित किए जाते हैं। कोल्ड पिन जंक्शन, जहां आंतरिक प्रतिरोध तार बाहरी विद्युत लीड से जुड़ता है, परिवेश (20 डिग्री) से प्रक्रिया तापमान (180 डिग्री) तक साइकिल चलाने के दौरान सबसे अधिक थर्मल तनाव का अनुभव करता है। जिस तरह से म्यान लगाया जाता है वह टैंक की निश्चित दीवार के संबंध में इसके विस्तार और संकुचन के तरीके को प्रभावित करता है और इस प्रकार, इस महत्वपूर्ण मोड़ पर तनाव वितरित होने के तरीके पर सीधा प्रभाव पड़ता है। निकला हुआ किनारा माउंट कुछ रेडियल और अक्षीय अनुपालन प्रदान करता है, लेकिन थ्रेडेड निपल म्यान को कठोरता से रोकता है। दीवार की मोटाई माउंटिंग विधि के साथ परस्पर क्रिया करती है: मोटी दीवार अक्षीय कठोरता में सुधार करती है और ठंडे पिन कनेक्शन में अधिक थर्मल तनाव संचारित करती है। यह विश्लेषण फ़्लैंग्ड और थ्रेडेड माउंटिंग के लिए तनाव वितरण की तुलना करता है, और उच्च तापमान चक्र अनुप्रयोगों के लिए चयन सुझाव प्रदान करता है।

यांत्रिक अखंडता पर प्रभाव: कोल्ड पिन जंक्शन तनाव
500 मिमी लंबाई के टाइटेनियम हीटर के लिए, 20 डिग्री से 180 डिग्री तक गर्म करने पर अक्षीय विस्तार ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 मिमी होता है। म्यान को धागों पर एक थ्रेडेड निपल माउंट में कसकर रखा जाता है। यह सीमित विस्तार σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa का अक्षीय संपीड़न तनाव उत्पन्न करता है। यह तनाव तुरंत ठंडे पिन जंक्शन पर स्थानांतरित हो जाता है जहां शीथ गर्म से बिना गर्म किए में बदल जाता है। 1.0 मिमी की दीवार के लिए, यह तनाव 275 एमपीए की उपज शक्ति से कम है, और इसलिए लोचदार व्यवहार दिखाता है। लेकिन बार-बार सवारी करने से जोड़ों में थकान पैदा होती है। 1.8 मिमी की दीवार के लिए अक्षीय तनाव 144 एमपीए है (कठोर बाधा के लिए दीवार की मोटाई से स्वतंत्र) लेकिन जंक्शन पर झुकने की कठोरता अधिक है, इसलिए मामूली गलत संरेखण की भरपाई करने की क्षमता कम है। एक परिमित तत्व विश्लेषण दर्शाता है कि कोल्ड पिन जंक्शन पर तनाव एकाग्रता कारक 1.0 मिमी की दीवार के लिए 2.5 से बढ़कर 1.8 मिमी की दीवार के लिए 3.2 हो जाता है, जिसमें 360 एमपीए और 460 एमपीए के संबंधित स्थानीयकृत शिखर तनाव होते हैं। 1.8 मिमी की दीवार स्थानीय उपज शक्ति से अधिक है, जिसके परिणामस्वरूप हर चक्र में प्लास्टिक विरूपण होता है और तेजी से थकान विफलता होती है।

हीटर को गैस्केट के साथ फ़्लैंज्ड माउंट में बांधा जाता है, हालांकि यह कठोरता से तय नहीं किया जाता है। फ़्लैंज फैलने पर म्यान को गैस्केट के माध्यम से थोड़ा फिसलने की अनुमति देता है। गैस्केट पर घर्षण बल (पूर्ण खंड मापांक नहीं) विस्तार का प्रतिरोध करता है और अक्षीय तनाव को 5-10 से 15-30 एमपीए के कारक तक कम कर देता है। कोल्ड पिन जंक्शन पर तनाव 50 एमपीए से कम है, जो 1.0 मिमी और 1.8 मिमी दोनों दीवारों के लिए लोचदार सीमा के भीतर है। फ़्लैंग्ड माउंट अनिवार्य रूप से कोल्ड पिन जंक्शन से थर्मल विस्तार को अलग करता है।

थर्मल प्रदर्शन पर प्रभाव: गर्मी का नुकसान और गैसकेट क्षति
माउंटिंग विधि कोल्ड पिन पर ताप संचरण को भी प्रभावित करती है। एक थ्रेडेड निपल में, धातु का संपर्क म्यान से टैंक की दीवार तक अच्छा तापीय संचालन प्रदान करता है, कोल्ड पिन जंक्शन को ठंडा करता है और विद्युत सील को बनाए रखता है। लेकिन इस शीतलन का अर्थ गर्मी का नुकसान भी है, जो सिस्टम दक्षता को 2-5% तक कम कर देता है। फ़्लैंग्ड माउंट में, गैस्केट (पीटीएफई या सामान्य रूप से संपीड़ित फाइबर) एक इन्सुलेटर होता है, जो गर्मी के नुकसान को 1% से कम कर देता है, लेकिन कोल्ड पिन जंक्शन को अधिक गर्म संचालित करने की अनुमति देता है। 180 डिग्री पर संचालन के लिए, फ़्लैंज्ड माउंट पर कोल्ड पिन 120-140 डिग्री पर हो सकता है, जिसके लिए उच्च तापमान वाले लीड तारों और सिलिकॉन या फाइबरग्लास इन्सुलेशन की आवश्यकता होती है। दीवार की मोटाई इन ताप अंतरों को अधिक प्रभावित नहीं करती है।

माउंटिंग विधि कैसे चुनें: ट्रेड का एक संश्लेषण{{0}ऑफ़
माउंटिंग प्रकार दीवार की मोटाई कोल्ड पिन पर चरम तनाव (20 डिग्री से 180 डिग्री चक्र) अनुशंसित अनुप्रयोग गर्मी हानि थकान जीवन (विफलता के लिए चक्र)
थ्रेडेड निपल 1.0 मिमी 360 एमपीए (स्थानीयकृत) 5,000 - 10,000 चक्र 3 - 5% कम - चक्र अनुप्रयोग (< 5,000 cycles) with thin wall.
थ्रेडेड निपल 1.8 मिमी 460 एमपीए (स्थानीयकृत) 1,000 - 2,000 चक्र 3 - 5% अनुशंसित नहीं - प्रति चक्र प्लास्टिक विरूपण
पीटीएफई फ्लैंज गैसकेटकोई भी (1.0{5}}1.8 मिमी) < 50 एमपीए > 100,000 चक्र <1% उच्च {{6} चक्र या उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा।
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 डिग्री) जहां पीटीएफई टूट जाता है।
माउंट से परे इंजीनियरिंग विस्तार लूप और लचीले कनेक्शन
यदि एप्लिकेशन को थ्रेडेड माउंटिंग (यानी, मौजूदा कपलिंग में रेट्रोफिट) की आवश्यकता होती है, तो हीटर ट्यूब में यांत्रिक रूप से थर्मल विस्तार को अवशोषित करने और दीवार की मोटाई से स्वतंत्र कोल्ड पिन पर तनाव को कम करने के लिए गर्म अनुभाग और कोल्ड पिन जंक्शन के बीच एक विस्तार लूप (180 डिग्री मोड़) होता है। 50 मिमी त्रिज्या का 90 डिग्री वक्र संचरित अक्षीय भार को 70% तक कम कर देता है। वैकल्पिक रूप से, थर्मल विस्तार बलों से कोल्ड पिन को बचाने के लिए हीटर और विद्युत परिक्षेत्र के बीच एक लचीली धातु नली कनेक्शन का उपयोग किया जाता है।

निष्कर्ष: उच्च तापीय चक्र सेवा के लिए फ्लैंज माउंट को प्राथमिकता दी जाती है
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 मिमी). थ्रेडेड 1.8 मिमी की दीवारों का थकान जीवन केवल 1,000-2,000 चक्र है। फ्लैंज्ड माउंटिंग वाला शीथ गैस्केट के माध्यम से स्लाइड करता है और चरम तनाव दीवार की मोटाई की परवाह किए बिना 50 एमपीए से नीचे रहता है, जिसके परिणामस्वरूप > 100,000 चक्र होते हैं। जहां थ्रेडेड इंस्टॉलेशन अपरिहार्य है, वहां पतली दीवार (1.0 मिमी से कम या उसके बराबर) और एक विस्तार लूप का उपयोग करें। नई स्थापनाओं के लिए जहां हीट साइक्लिंग के तहत उच्च स्थायित्व की आवश्यकता होती है, पसंद की विशिष्टता पीटीएफई गैस्केट के साथ एक फ़्लैंग्ड माउंट है। दीवार की मोटाई जंग और दबाव की आवश्यकताओं के आधार पर निर्धारित की जाती है, न कि माउंटिंग के कारण होने वाले तनाव के आधार पर।