¿Cómo cambia el método de montaje de un calentador con funda de titanio (niple con brida o roscado) la distribución de tensión en la unión del pasador frío cuando se somete a ciclos térmicos de 20 grados a 180 grados?

El compromiso básico al montar un calentador para servicio de alto-ciclo térmico-
Los calentadores revestidos de titanio a menudo se instalan a través de las paredes del tanque utilizando una conexión bridada (atornillada a la brida correspondiente) o una boquilla roscada (atornillada a un acoplamiento soldado). La unión de clavija fría, donde el cable de resistencia interna se une al cable eléctrico externo, experimenta la mayor tensión térmica durante el ciclo desde la temperatura ambiente (20 grados) hasta la temperatura del proceso (180 grados). La manera en que se monta la funda afecta la manera en que se expande y contrae con respecto a la pared fija del tanque y, por tanto, tiene un efecto directo en la manera en que se distribuye la tensión en esta coyuntura vital. El soporte con brida proporciona cierta flexibilidad radial y axial, pero la boquilla roscada restringe la vaina de manera rígida. El espesor de la pared interactúa con el método de montaje: una pared más gruesa mejora la rigidez axial y transmite una mayor tensión térmica a la conexión del pasador frío. Este análisis compara las distribuciones de tensiones para montaje bridado y roscado y proporciona sugerencias de selección para aplicaciones de ciclos de alta temperatura.

Efecto sobre la integridad mecánica: tensión en la unión de pasadores fríos
Para un calentador de titanio de 500 mm de longitud, la expansión axial es ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm cuando se calienta de 20 grados a 180 grados. La funda se sujeta firmemente en un soporte de boquilla roscada en las roscas. Esta expansión limitada genera un esfuerzo de compresión axial de σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa. Esta tensión se transfiere inmediatamente a la unión fría del pasador, donde la funda cambia de calentada a no calentada. Para una pared de 1,0 mm, esta tensión está por debajo del límite elástico de 275 MPa y, por tanto, muestra un comportamiento elástico. Pero montar con frecuencia produce fatiga en la articulación. Para una pared de 1,8 mm, la tensión axial es de 144 MPa (independiente del espesor de la pared para una restricción rígida), pero la rigidez a la flexión en la unión es mayor, por lo tanto, menos capacidad para compensar ligeras desalineaciones. Un análisis de elementos finitos demuestra que el factor de concentración de tensión en la unión del pasador frío aumenta de 2,5 para la pared de 1,0 mm a 3,2 para la pared de 1,8 mm, con tensiones máximas localizadas correspondientes de 360 ​​MPa y 460 MPa. La pared de 1,8 mm excede el límite elástico local, lo que resulta en deformación plástica en cada ciclo y falla rápida por fatiga.

El calentador se fija en un soporte con brida con una junta, aunque no está fijado de forma rígida. La brida permite que la funda se deslice un poco a través de la junta a medida que se expande. La fuerza de fricción en la junta (no el módulo de sección completo) resiste la expansión y reduce la tensión axial en un factor de 5 a 10 a 15 a 30 MPa. La tensión en la unión del pasador frío es inferior a 50 MPa, lo que está dentro del límite elástico para paredes de 1,0 mm y 1,8 mm. El soporte con brida esencialmente desacopla la expansión térmica de la unión de pasador frío.

Impacto en el rendimiento térmico: pérdida de calor y daños en las juntas
El método de montaje también influye en la transmisión de calor en el pasador frío. En una boquilla roscada, el contacto de metal-con-metal proporciona una buena conducción térmica desde la funda hasta la pared del tanque, enfriando la unión fría de la clavija y manteniendo el sello eléctrico. Pero este enfriamiento también significa pérdida de calor, lo que reduce la eficiencia del sistema entre un 2 y un 5%. En un montaje con bridas, la junta (PTFE o fibra comprimida en general) es un aislante, lo que reduce la pérdida de calor a menos del 1%, pero permite que la unión fría del pasador funcione más caliente. Para operar a 180 grados, el pasador frío en un soporte con brida puede estar a 120-140 grados, necesitando cables conductores de alta temperatura y aislamiento de silicona o fibra de vidrio. El espesor de la pared no afecta mucho a estas diferencias de calor.

Cómo elegir un método de montaje: una síntesis de la compensación-
Tipo de montaje Espesor de pared Esfuerzo máximo en pasador frío (ciclo de 20 grados a 180 grados) Aplicación recomendada Pérdida de calor Vida útil por fatiga (ciclos hasta falla)
Boquilla roscada 1,0 mm 360 MPa (localizado) 5000 – 10 000 ciclos 3 – 5 % Aplicaciones de ciclo bajo- (< 5,000 cycles) with thin wall.
Boquilla roscada 1,8 mm 460 MPa (localizada) 1.000 – 2.000 ciclos 3 – 5 % No recomendado - deformación plástica por ciclo
Junta de brida de PTFECualquiera (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 ciclos < 1 % Preferido para aplicaciones de alto-ciclo o alta temperatura.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 grados) donde el PTFE se descompone.
Bucles de expansión de ingeniería y conexiones flexibles más allá del soporte
Si la aplicación requiere un montaje roscado (es decir, una adaptación a los acoplamientos existentes), el tubo calentador contiene un bucle de expansión (curvatura de 180 grados) entre la sección calentada y la unión del pasador frío para absorber mecánicamente la expansión térmica y reducir la tensión en el pasador frío independientemente del espesor de la pared. Una curva de 90 grados de radio 50 mm reduce la carga axial transmitida en un 70%. Alternativamente, se utiliza una conexión de manguera metálica flexible entre el calentador y el gabinete eléctrico para aislar el pasador frío de las fuerzas de expansión térmica.

CONCLUSIÓN: Se prefiere el montaje con brida para servicio 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). Las paredes roscadas de 1,8 mm tienen una vida útil a la fatiga de sólo 1000 a 2000 ciclos. La funda con montaje bridado se desliza a través de la junta y la tensión máxima se mantiene por debajo de 50 MPa independientemente del espesor de la pared, lo que da como resultado > 100.000 ciclos. Cuando la instalación roscada sea inevitable, utilice una pared delgada (menor o igual a 1,0 mm) y un bucle de expansión. Para instalaciones nuevas donde se requiere una alta durabilidad bajo ciclos de calor, la especificación elegida es un soporte bridado con junta de PTFE. El espesor de la pared se establece en función de los requisitos de corrosión y presión, y no de la tensión causada por el montaje.