Thiết kế nắp cuối (phẳng so với hình vòm) của ống gia nhiệt bằng titan kín ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu được áp suất bên trong tích tụ-từ sự phân hủy vết ẩm ở 200 độ?

Sự thay đổi cơ bản-trong thiết kế nắp cuối của bộ sưởi bằng titan
Các ống gia nhiệt titan kín được cách nhiệt bằng oxit magiê (MgO) có thể hấp thụ độ ẩm trong quá trình sản xuất hoặc bảo quản. Khi lò sưởi được kích hoạt ở nhiệt độ 200 độ ở thành trong, hơi ẩm này sẽ bốc hơi và có thể phân hủy thành hydro và oxy. Điều này có thể khiến áp suất bên trong tăng lên và có thể khiến nắp cuối bị hỏng. Thiết kế của nắp cuối, dù phẳng hay hình vòm, đều ảnh hưởng trực tiếp đến cách ống chịu được áp suất bên trong này. Nắp phẳng có biến dạng uốn với ứng suất tập trung tại mối hàn. Một nắp vòm đang ở trạng thái căng màng. Độ dày của thành là một chức năng của hình dạng nắp cuối. Một bức tường dày hơn có thể hỗ trợ một nắp phẳng hơn ở áp suất lớn hơn. Nắp hình vòm có thể chịu được mức áp suất tương tự với thành mỏng hơn. Phân tích này đo lường khả năng chịu áp suất của nắp phẳng so với nắp đầu hình vòm trên ống gia nhiệt titan và đưa ra đề xuất lựa chọn cho dịch vụ nhiệt độ cao trong đó áp suất bên trong là mối nguy hiểm.

Ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học: Phân bố ứng suất trong nắp phẳng và hình vòm
Chúng tôi xác định rằng ứng suất gây ra bởi áp suất tại tâm của nắp đầu phẳng được hàn vào ống titan có bán kính trong r và độ dày thành t được cho bởi $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$, trong đó P biểu thị áp suất bên trong. Đối với ống OD 20 mm điển hình (bán kính bên trong 8 mm đối với tường 1,0 mm) ở áp suất bên trong 10 bar (1 MPa), sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. Giá trị này chỉ cao hơn một chút so với giới hạn chảy của titan Loại 2 (275 MPa) và do đó có rất ít giới hạn an toàn. Đối với một nắp hình vòm (bán cầu), ứng suất là σdome=P r 2 t trong đó bán kính của vòm được giả sử bằng bán kính của ống. Trong cùng điều kiện, σ_dome=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-thấp hơn 50 so với đỉnh phẳng. Nắp vòm chịu lực gần như hoàn toàn khi màng căng chứ không bị uốn cong; nó có khả năng chống lại áp lực bên trong tốt hơn nhiều. Đối với nắp phẳng, kiểu hư hỏng liên quan đến hiện tượng chảy xệ và phồng lên xung quanh tâm, sau đó mối hàn bị rách. Nắp vòm thường bị hỏng do chảy xệ chung ở áp suất cao hơn từ 10 đến 20 lần so với nắp phẳng có cùng độ dày thành.

Tác động đến hiệu suất nhiệt: Hạn chế về truyền nhiệt và sản xuất
Thiết kế nắp cuối chỉ có tác động gián tiếp đến hiệu suất tản nhiệt. Nắp phẳng có diện tích bề mặt tiếp xúc với môi trường xử lý lớn hơn và điều này có thể cải thiện khả năng truyền nhiệt ở đầu bộ gia nhiệt. Nhưng sự khác biệt là rất nhỏ (thường<5% of total heating area). More importantly, there is the question of manufacturability. The dome caps are made by pressing or spinning, which is an additional manufacturing process and adds 10–20% to the cost over flat caps. Thin walls (≤1.0 mm) Dome caps Dome caps are easier to successfully weld, since the dome absorbs thermal expansion during welding, thus minimizing the residual stress. Flat caps can be welded with sufficient strength for thick walls (≥1.5 mm) if the tube diameter is small (<16 mm OD). The heat gradient across the end cap in operation is similar for both types, as the cap thickness is normally matched to the tube wall.

Ma trận lựa chọn giới hạn kết thúc: Tổng hợp sự đánh đổi-
Ống OD & Độ dày thành ống Áp suất bên trong an toàn tối đa (nắp phẳng, cấp 2) Áp suất bên trong an toàn tối đa (nắp hình vòm) Khuyến nghị về nắp cuối (Cơ sở lý luận kỹ thuật cốt lõi)
12 mm × 0,8 mm 4 thanh > 50 thanh Vòm mỏng Tường không thể chịu được ứng suất uốn nắp phẳng.
16 mm × 1,0 mm 6 thanh > 40 thanh Nắp phẳng dạng vòm tối thiểu; mái vòm mang lại biên độ an toàn
20 mm x 1,2 mm 8 bar > 35 bar Dạng vòm Lý tưởng cho Độ tin cậy. Việc giảm ứng suất sau hàn chỉ được chấp nhận bằng nắp phẳng.
20 mm × 1,6 mm 14 bar > 45 bar Nắp phẳng là đủ cho hầu hết các mục đích; mái vòm cho thêm lợi nhuận.
2,0 mm x 25 mm 18 bar > 50 bar Flat (tiết kiệm chi phí) Thành dày cung cấp đủ cường độ uốn. Thông số kỹ thuật quá-được hình vòm.
Kỹ thuật vượt xa giới hạn: Kiểm soát độ ẩm và thông gió
Cách tốt nhất để xử lý sự tích tụ áp suất bên trong{0}}là tránh hoàn toàn sự xâm nhập của hơi ẩm. Bộ gia nhiệt được làm sạch bằng nitơ trong quá trình nạp MgO và niêm phong chân không để giảm thiểu độ ẩm còn lại xuống dưới 0,1% trọng lượng, do đó ngăn chặn áp suất tích tụ-ngay cả ở nhiệt độ 300 độ. Đối với các máy sưởi hiện tại hoặc thiết kế chi phí thấp, một lỗ thông hơi nhỏ (đường kính 0,2–0,5 mm) ở nắp cuối cung cấp lối thoát cho khí bên trong mà không làm mất đi khả năng chống ăn mòn vì lỗ thường chìm trong nước và nước muối không đi vào do áp suất dương nhẹ bên trong. Ngoài ra, một đĩa nổ có áp suất tới 10 bar có thể được tích hợp vào một nắp phẳng, giúp giải phóng áp suất được điều chỉnh.

Kết luận: Mũ phẳng phù hợp cho tường dày, Mũ vòm phù hợp hơn cho tường mỏng
The heating tube is titanium sealed and it runs at 200C and even trace moisture decomposes and the end cap design is essential to how much pressure it can take. A flat cap experiences bending strains proportional to P x r(squared) / t(squared) whereas a domed cap experiences membrane stresses proportional to P x r / t - a factor of r/t lower. For thin wall (≤1.2mm) on standard 20mm OD tube a domed cap is necessary to safely bear pressures above 5 bar. For thick walls (>=1.6 mm) nắp phẳng là phù hợp vì số hạng t² trong mẫu số làm giảm ứng suất uốn xuống mức có thể chấp nhận được. Nếu phát hiện thấy áp suất bên trong là mối nguy hiểm (ví dụ: máy sưởi được bảo quản ở nơi ẩm ướt trước khi lắp đặt), thì phải chỉ định nắp hình vòm hoặc thiết kế có lỗ thông hơi bất kể độ dày của thành. Cung cấp cho nhà sản xuất nhiệt độ hoạt động và độ ẩm bảo quản dự kiến ​​cao nhất để cho phép nhà sản xuất xây dựng nắp cuối thích hợp để có thể sử dụng lâu dài-đáng tin cậy.