Como o método de montagem de um aquecedor com bainha de titânio (bico flangeado vs. roscado) altera a distribuição de tensão na junção do pino frio quando submetido ao ciclo térmico de 20 graus a 180 graus?

O compromisso básico na montagem de um aquecedor para serviço de ciclo-térmico-alto
Aquecedores revestidos de titânio são frequentemente instalados através das paredes do tanque usando uma conexão flangeada (parafusada em um flange correspondente) ou um bocal roscado (parafusado em um acoplamento soldado). A junção do pino frio, onde o fio de resistência interno se une ao condutor elétrico externo, sofre o maior estresse térmico durante o ciclo da temperatura ambiente (20 graus) até a temperatura do processo (180 graus). A maneira como a bainha é montada afecta a maneira como ela se expande e contrai em relação à parede fixa do tanque e, assim, tem um efeito directo na maneira como a tensão é distribuída nesta junção vital. A montagem flangeada fornece alguma complacência radial e axial, mas o niple roscado restringe a bainha rigidamente. A espessura da parede interage com o método de montagem: uma parede mais espessa melhora a rigidez axial e transmite maior tensão térmica à conexão do pino frio. Esta análise compara distribuições de tensão para montagem flangeada e roscada e fornece sugestões de seleção para aplicações de ciclo de alta temperatura.

Efeito na integridade mecânica: tensão na junção do pino frio
Para um aquecedor de titânio de 500 mm de comprimento, a expansão axial é ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm quando aquecido de 20 graus a 180 graus. A bainha é firmemente presa em um bocal rosqueado nas roscas. Esta expansão limitada gera uma tensão de compressão axial de σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Esta tensão é transferida imediatamente para a junção do pino frio, onde a bainha muda de aquecida para não aquecida. Para uma parede de 1,0 mm, esta tensão está abaixo do limite de escoamento de 275 MPa e, portanto, apresenta comportamento elástico. Mas pedalar com frequência produz fadiga nas articulações. Para uma parede de 1,8 mm, a tensão axial é de 144 MPa (independente da espessura da parede para uma restrição rígida), mas a rigidez à flexão na junção é maior, portanto, menor capacidade de compensar pequenos desalinhamentos. Uma análise de elementos finitos demonstra que o fator de concentração de tensão na junção do pino frio aumenta de 2,5 para a parede de 1,0 mm para 3,2 para a parede de 1,8 mm, com picos de tensão localizados correspondentes de 360 ​​MPa e 460 MPa. A parede de 1,8 mm excede o limite de escoamento local, resultando em deformação plástica a cada ciclo e falha rápida por fadiga.

O aquecedor é fixado em um suporte flangeado com gaxeta, embora não seja fixado de forma rígida. O flange permite que a bainha deslize um pouco através da gaxeta à medida que ela se expande. A força de atrito na junta (não o módulo de seção completa) resiste à expansão e reduz a tensão axial por um fator de 5–10 a 15–30 MPa. A tensão na junção do pino frio é inferior a 50 MPa, o que está dentro do limite elástico para paredes de 1,0 mm e 1,8 mm. A montagem flangeada desacopla essencialmente a expansão térmica da junção do pino frio.

Impacto no desempenho térmico: perda de calor e danos nas juntas
O método de montagem também influencia a transmissão de calor no pino frio. Em um niple roscado, o contato metal-com{2}}metal proporciona boa condução térmica da bainha até a parede do tanque, resfriando a junção do pino frio e mantendo a vedação elétrica. Mas este arrefecimento também significa perda de calor, o que reduz a eficiência do sistema em 2–5%. Em uma montagem flangeada, a gaxeta (PTFE ou fibra comprimida em geral) é um isolante, diminuindo a perda de calor para menos de 1%, mas permitindo que a junção fria do pino opere mais quente. Para operação a 180 graus, o pino frio em uma montagem flangeada pode ter 120-140 graus, necessitando de fios condutores de alta temperatura e isolamento de silicone ou fibra de vidro. A espessura da parede não afeta muito essas diferenças de calor.

Como escolher um método de montagem: uma síntese da compensação-
Tipo de montagem Espessura da parede Pico de tensão no pino frio (ciclo de 20 graus a 180 graus) Aplicação recomendada Perda de calor Vida útil por fadiga (Ciclos até falha)
Niple roscado 1,0 mm 360 MPa (localizado) 5.000 – 10.000 ciclos 3 – 5% Aplicações de ciclo-baixo (< 5,000 cycles) with thin wall.
Niple roscado 1,8 mm 460 MPa (localizado) 1.000 – 2.000 ciclos 3 – 5% Não recomendado - deformação plástica por ciclo
Junta de flange de PTFEQualquer (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100.000 ciclos < 1% Preferencial para aplicações de alto-ciclo ou alta temperatura.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 graus) onde o PTFE se decompõe.
Loops de expansão de engenharia e conexões flexíveis além da montagem
Se a aplicação exigir uma montagem roscada (ou seja, um retroajuste em acoplamentos existentes), o tubo do aquecedor contém um circuito de expansão (curvatura de 180 graus) entre a seção aquecida e a junção do pino frio para absorver mecanicamente a expansão térmica e reduzir a tensão no pino frio, independente da espessura da parede. Uma curva de 90 graus com raio de 50 mm reduz a carga axial transmitida em 70%. Alternativamente, uma conexão de mangueira metálica flexível é usada entre o aquecedor e o invólucro elétrico para isolar o pino frio das forças de expansão térmica.

CONCLUSÃO: Montagem em flange preferida para serviços de alto ciclo térmico
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 milímetros). Paredes roscadas de 1,8 mm têm uma vida útil à fadiga de apenas 1.000 a 2.000 ciclos. A bainha com montagem flangeada desliza através da junta e o pico de tensão permanece abaixo de 50 MPa, independentemente da espessura da parede, resultando em > 100.000 ciclos. Onde a instalação roscada for inevitável, use parede fina (menor ou igual a 1,0 mm) e um circuito de expansão. Para novas instalações onde é necessária alta durabilidade sob ciclos térmicos, a especificação escolhida é uma montagem flangeada com junta de PTFE. A espessura da parede é definida com base nos requisitos de corrosão e pressão, e não na tensão causada pela montagem.