Phương pháp lắp bộ sưởi có vỏ bọc bằng titan (có mặt bích so với núm có ren) thay đổi sự phân bố ứng suất tại điểm nối chốt lạnh khi chịu tác động của chu trình nhiệt từ 20 độ đến 180 độ như thế nào?

Thỏa hiệp cơ bản trong việc lắp đặt máy sưởi cho dịch vụ chu trình nhiệt-nhiệt-cao
Lò sưởi bọc titan thường được lắp đặt xuyên qua thành bể bằng cách sử dụng kết nối mặt bích (bắt vít vào mặt bích tương ứng) hoặc núm ren (bắt vít vào khớp nối hàn). Điểm nối chốt nguội, nơi dây điện trở bên trong nối với dây dẫn điện bên ngoài, chịu ứng suất nhiệt lớn nhất trong quá trình đạp xe từ nhiệt độ môi trường xung quanh (20 độ) đến nhiệt độ xử lý (180 độ). Cách lắp đặt vỏ bọc ảnh hưởng đến cách nó giãn nở và co lại so với thành cố định của bể và do đó có ảnh hưởng trực tiếp đến cách phân bổ ứng suất tại điểm nối quan trọng này. Giá đỡ mặt bích cung cấp một số sự tuân thủ hướng tâm và trục, nhưng núm có ren giữ chặt vỏ bọc. Độ dày của thành tương tác với phương pháp lắp: Thành dày hơn giúp cải thiện độ cứng dọc trục và truyền biến dạng nhiệt lớn hơn đến kết nối chốt nguội. Phân tích này so sánh sự phân bố ứng suất khi lắp mặt bích và lắp ren, đồng thời đưa ra các đề xuất lựa chọn cho các ứng dụng chu trình nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học: Ứng suất tiếp giáp chốt nguội
Đối với bộ gia nhiệt bằng titan có chiều dài 500 mm, độ giãn nở dọc trục là ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm khi được gia nhiệt từ 20 độ đến 180 độ . Vỏ bọc được giữ chặt bằng một núm ren gắn ở các sợi ren. Sự giãn nở có giới hạn này tạo ra ứng suất nén dọc trục σ_axis=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Lực căng này được truyền ngay lập tức đến điểm nối chốt nguội nơi vỏ bọc chuyển từ trạng thái nóng sang không nóng. Đối với tường 1,0 mm, ứng suất này thấp hơn giới hạn chảy 275 MPa và do đó thể hiện trạng thái đàn hồi. Nhưng việc đạp xe thường xuyên sẽ khiến khớp bị mỏi. Đối với tường 1,8 mm, ứng suất dọc trục là 144 MPa (không phụ thuộc vào độ dày của tường đối với giới hạn cứng) nhưng độ cứng uốn tại điểm nối cao hơn, do đó khả năng bù các sai lệch nhỏ ít hơn. Phân tích phần tử hữu hạn chứng minh rằng hệ số tập trung ứng suất tại điểm nối chốt nguội tăng từ 2,5 đối với tường 1,0 mm lên 3,2 đối với tường 1,8 mm, với ứng suất cực đại cục bộ tương ứng là 360 MPa và 460 MPa. Thành 1,8 mm vượt quá giới hạn chảy cục bộ, dẫn đến biến dạng dẻo sau mỗi chu kỳ và hư hỏng do mỏi nhanh chóng.

Lò sưởi được gắn chặt vào một giá đỡ có mặt bích bằng một miếng đệm, mặc dù nó không được cố định một cách cứng nhắc. Mặt bích cho phép vỏ bọc trượt một chút qua miếng đệm khi nó giãn ra. Lực ma sát tại miếng đệm (không phải mô đun tiết diện đầy đủ) chống lại sự giãn nở và giảm ứng suất dọc trục theo hệ số từ 5–10 đến 15–30 MPa. Ứng suất tại điểm nối chốt lạnh nhỏ hơn 50 MPa, nằm trong giới hạn đàn hồi cho cả tường 1,0 mm và 1,8 mm. Về cơ bản, giá đỡ có mặt bích sẽ tách rời sự giãn nở nhiệt khỏi điểm nối chốt lạnh.

Tác động đến hiệu suất nhiệt: Tổn thất nhiệt và hư hỏng miếng đệm
Phương pháp lắp cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt ở chốt lạnh. Trong núm có ren, sự tiếp xúc giữa kim loại-với-kim loại giúp dẫn nhiệt tốt từ vỏ bọc đến thành bể, làm mát điểm nối chốt lạnh và duy trì phốt điện. Nhưng việc làm mát này cũng đồng nghĩa với việc thất thoát nhiệt, làm giảm hiệu suất hệ thống từ 2–5%. Trong giá đỡ có mặt bích, miếng đệm (PTFE hoặc sợi nén nói chung) là một chất cách điện, giảm tổn thất nhiệt xuống dưới 1%, nhưng cho phép mối nối chốt lạnh hoạt động nóng hơn. Để hoạt động ở 180 độ, chốt lạnh trên giá đỡ mặt bích có thể là 120-140 độ cần dây dẫn nhiệt độ cao và vật liệu cách nhiệt bằng silicon hoặc sợi thủy tinh. Độ dày của tường không ảnh hưởng nhiều đến sự chênh lệch nhiệt này.

Cách chọn phương pháp lắp đặt: Tổng hợp sự cân bằng-
Loại lắp đặt Độ dày của tường Ứng suất tối đa ở chốt nguội (chu kỳ 20 độ đến 180 độ) Ứng dụng được đề xuất Mất nhiệt Tuổi thọ mỏi (Chu kỳ đến khi hỏng)
Núm vú có ren 1,0 mm 360 MPa (cục bộ) 5.000 – 10.000 chu kỳ 3 – 5% Ứng dụng chu kỳ-thấp (< 5,000 cycles) with thin wall.
Núm vú có ren 1,8 mm 460 MPa (cục bộ) 1.000 – 2.000 chu kỳ 3 – 5% Không khuyến nghị - biến dạng dẻo trên mỗi chu kỳ
Miếng đệm mặt bích PTFEBất kỳ (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 chu kỳ < 1% Được ưu tiên cho các ứng dụng có chu kỳ-cao hoặc nhiệt độ cao.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 độ) nơi PTFE bị hỏng.
Vòng mở rộng kỹ thuật và kết nối linh hoạt ngoài giá đỡ
Nếu ứng dụng yêu cầu lắp ren (tức là trang bị thêm vào các khớp nối hiện có), thì ống gia nhiệt có một vòng giãn nở (uốn cong 180 độ) giữa phần được làm nóng và điểm nối chốt lạnh để hấp thụ sự giãn nở nhiệt một cách cơ học và giảm ứng suất ở chốt nguội không phụ thuộc vào độ dày của thành. Đường cong 90 độ bán kính 50 mm giúp giảm 70% tải trọng trục truyền. Ngoài ra, một kết nối ống kim loại linh hoạt được sử dụng giữa lò sưởi và vỏ điện để cách nhiệt chốt lạnh khỏi lực giãn nở nhiệt.

KẾT LUẬN: Mặt bích được ưu tiên sử dụng cho dịch vụ chu trình nhiệt cao
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). Các bức tường có ren 1,8 mm có tuổi thọ mỏi chỉ 1.000–2.000 chu kỳ. Vỏ bọc có lắp mặt bích trượt qua miếng đệm và ứng suất cực đại duy trì dưới 50 MPa bất kể độ dày thành, dẫn đến > 100.000 chu kỳ. Khi không thể tránh khỏi việc lắp đặt bằng ren, hãy sử dụng tường mỏng (Nhỏ hơn hoặc bằng 1,0 mm) và vòng mở rộng. Đối với các hệ thống lắp đặt mới yêu cầu độ bền cao trong quá trình luân chuyển nhiệt, thông số kỹ thuật được lựa chọn là giá đỡ có mặt bích với miếng đệm PTFE. Độ dày của tường được thiết lập dựa trên các yêu cầu về ăn mòn và áp suất, chứ không phải ứng suất do việc lắp đặt gây ra.