Kaip 316 nerūdijančio plieno apvalkalo sienelės storis įtakoja šiluminį plėtimąsi-sukeliamą įtampą MgO sąsajoje, kai kartojasi šildymo ciklai nuo 20 iki 400 laipsnių Celsijaus?

316 nerūdijančio plieno apvalkalo ir magnio oksido izoliacijos jungtis yra reikšmingas, bet dažnai nepaisomas projektavimo inžinierių, vertinančių elektrinių panardinamųjų šildytuvų, veikiančių cikliškai aukštoje -temperatūroje, ilgaamžiškumą. 316 apvalkalas plečiasi daugiau nei MgO su kiekvienu šildymo ciklu, nes šiluminio plėtimosi koeficientas 316 (apie 17 x 10 -6 / laipsnis) yra maždaug 2 kartus didesnis nei sutankinto MgO (apie 9 x 10 -6 / laipsnis). Dėl šio diferencinio išsiplėtimo susidaro šlyties įtempimai apvalkalo{12}}MgO sąsajoje. Per tūkstančius ciklų šis slėgis gali sukelti atsparumo laido atsirišimą, tarpų susidarymą ir galimą perkaitimą. Šie sąsajos įtempiai tiesiogiai priklauso nuo apvalkalo sienelės storio, nes storesnė siena riboja plėtimąsi kitaip nei plona sienelė. Šiame tyrime koreliacija tarp 316 apvalkalo sienelės storio ir šiluminio plėtimosi sukelto sąsajos įtempio yra kiekybiškai įvertinta, kad būtų pateikti atrankos pasiūlymai didelio ciklo taikymams.

Apvalkalo{0}}MgO sąsaja: diferencinio terminio plėtimosi mechanika
Kai šildytuvas yra pastatytas, MgO izoliacija yra sutankinama prie vidinio 316 apvalkalo paviršiaus dėl intensyvaus spaudimo. Rezultatas yra sandarus trukdžių pritaikymas su liekamuoju gniuždymo įtempimu sąsajoje. Abi medžiagos plečiasi šiluma iš šildytuvo. 316 apvalkalas bando plėstis į išorę radialine ir apskritimo kryptimis. MgO turi mažesnį plėtimosi koeficientą ir priešinasi šiam plėtimuisi. Dėl to sumažėja paviršiaus gniuždymo įtempis arba, esant pakankamai aukštai temperatūrai, pereinama prie tempimo įtempių ir atsiranda tarpų. Kritinė tarpfazinio atskyrimo temperatūra priklauso nuo pradinės liekamosios įtampos, kurią sukelia slinkimas, ir apvalkalo sienelės standumo. Radialinis standumas didėja didėjant apvalkalo sienelės storiui, o tai reiškia, kad jis stipriau priešinasi plėtimuisi ir palaiko sąsają su aukštesnėmis temperatūromis. Kita vertus, plonasienis apvalkalas yra labiau suderinamas ir gali sudaryti tarpą esant žemesnei temperatūrai. Tačiau, kai susidaro tarpas, plonasienis įdėklas patiria didesnius vietinius lenkimo įtempius, nes neparemta sienelė pasislenka veikiant vidiniam slėgiui arba šiluminiams gradientams.

Kiekybinė sąsajos įtempių sulaikymo ir sienelės storio koreliacija
Atlikus baigtinių elementų tyrimą 10 mm išorinio skersmens 316 apvalkalo, užpildyto MgO, suspaustu iki 3,0 g/cm3, gaunami kiekybiniai sąsajos įtempių įvertinimai, atsižvelgiant į sienelės storio ir temperatūros funkciją. Sąsajų gniuždymo įtempis po keitimo kambario temperatūroje yra apie 30 MPa 1,0 mm sienelės storiui, 45 MPa 1,5 mm sienai ir 60 MPa 2,0 mm sienai. Storesnis apvalkalas išlaiko daugiau likutinio suspaudimo, nes skalbimo procese MgO veikia didesni įtempiai, kol apvalkalas plastiškai pasiduoda. Sąsajos įtempis mažėja tiesiškai didėjant temperatūrai dėl diferencinio plėtimosi. Atskyrimo temperatūra, kai sąsajos įtempis lygus nuliui, yra apie 280° laipsnio 1,0 mm sienai, 340° laipsniui 1,5 mm sienai ir 380° laipsniui 2,0 mm sienai. Po atjungimo 1,0 mm apvalkalas turi ~ 5 MPa tarpinį tempimo įtempį, o 2,0 mm apvalkalas išlieka suspaustas per visą 400 laipsnių maksimalios temperatūros šildytuvo ciklą. Ryšys tarp apvalkalo ir MgO prarandamas, kai sąsaja tampa tempiama. Dėl to susidaro nedideli tarpai, kurie prisideda prie šiluminės varžos nuo varžos laido iki apvalkalo. Tarpo srityje esantis MgO nebėra geras šilumos laidininkas, todėl gali susidaryti vietinė karštoji vieta, kuri gali pagreitinti laido oksidaciją.

Ciklinis sąsajos nuovargis ir šildytuvo degradacija
Atliekant ciklinę eksploataciją, pasikartojantis paviršiaus įtempimo pasikeitimas iš gniuždomojo į tempimo arba iš suspaudimo į atjungtą, sukelia kaupiamuosius apvalkalo -MgO kontakto pažeidimus. 1,0 mm sieninio apvalkalo, veikiančio nuo 20 laipsnių iki 400 laipsnių, sąsaja mato apie 300 laipsnių temperatūros pokytį. Kiekvienas ciklas pereina nuo didelio suspaudimo esant aplinkos temperatūrai iki nulinio įtempimo 280 laipsnių kampu iki įtempimo 400 laipsnių kampu. Šis cikliškas įtempimo pasikeitimas gali paskatinti susidėvėjimą sąsajoje ir sukurti MgO miltelius, kurie dar labiau riboja terminį kontaktą. Po 1000 ciklų šiluminė varža sąsajoje gali išaugti 20–40%, todėl norint išlaikyti pastovią šilumos išeigą, reikia aukštesnės laidų temperatūros. 2,0 mm sieninio apvalkalo tame pačiame temperatūrų diapazone sąsaja suspaudžiama visomis temperatūromis. Įtempis svyruoja nuo 60 MPa suspaudimo esant aplinkos temperatūrai iki maždaug 10 MPa suspaudimo esant 400 laipsnių – visada teigiamas kontaktinis slėgis. Nesudaro įtrūkimų ar tarpų. Eksperimentiniai 316 šildytuvų su apvalkalu bandymai, veikiami 5000 ciklų nuo 20 laipsnių iki 400 laipsnių, rodo, kad 1,0 mm sieninių apvalkalų šiluminė varža padidėja 35%, o izoliacijos varža sumažėja 15%. Tas pats bandymas su 2,0 mm sienelių apvalkalais parodė mažiau nei 5% bet kurio parametro skirtumą.

Sienelės storio rekomendacijos didelio ciklo, aukštos temperatūros darbams
Toliau pateiktoje lentelėje pateikiami rekomenduojami 316 apvalkalo sienelių storiai esant nurodytai maksimaliai darbo temperatūrai ir numatomų šiluminių ciklų skaičiui. Taikoma įprastinė skalbimo procedūra, o ne po-atkaitinimo. Vertės numato tikslinį tarnavimo laiką be didelių šiluminių savybių praradimo.

Maksimali apvalkalo temperatūros šiluminiai ciklai, kurių tikimasi per eksploatavimo laiką, Rekomenduojamas minimalus 316 sienelės storis, esant maksimaliai temperatūrai.
Iki 250 laipsnių C0,8 – 1,0 mm Bet koks skaičiusIšlieka suspaudimas < 5 % 250 – 300 laipsnių< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 laipsnių 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Išlieka gniuždomas < 5 % 350 – 400 laipsnių < 500 1.6 – 2,0 mm Nedidelis tempimas smailėje 10 – 20 %
350 – 400 laipsnių 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Išlaiko suspaudimą<5%
>400 laipsnių Bet koks skaičius Nerekomenduojama, nes gali susidaryti MgO tarpas Nenuspėjamas
Tais atvejais, kai reikalinga aukšta maksimali temperatūra ir didelis ciklų skaičius, pvz., sterilizavimo įranga ar terminio ciklo krosnys, labai rekomenduojama pasirinkti 2,0 mm ir storesnį 316 apvalkalą. Mes tiesiog turime sutikti su stora siena, kaip nurodyta ankstesniuose straipsniuose, kaip ilgalaikio sąsajos vientisumo kainą. Arba inžinieriai gali nurodyti atkaitinimo po-atkaitinimo procesą, kuris sumažina liekamuosius įtempius, bet taip pat sumažina pradinį sąsajos suspaudimą. Sąsajos įtempių išlaikymas yra identiškas atkaitintam 1,6 mm apvalkalui ir neatkaitintam 1,2 mm -apvalkalui. Tai priklauso nuo to, ar taikymas labiau orientuotas į šiluminį efektyvumą arba ciklo ilgaamžiškumą.

Dizaino metodai, skirti sumažinti paviršių įtempimą plonose{0}}sienose
Taikomioms reikmėms, kurioms reikalingas plonasienis apvalkalas, mažesnis nei 1,2 mm dėl šilumos jautrumo, bet įskaitant terminį ciklą iki aukštų temperatūrų, yra trys konstrukciniai sprendimai, kuriais galima vadovautis, kad būtų sumažintas sąsajos atskyrimas. Pirmasis – surinkimo metu prie apvalkalo-MgO sąsajos uždėti nedidelę didelio šilumos laidumo tepalo arba pastos dangą. Pavyzdžiui, silikoniniai tepalai su boro nitridu išlaiko atitiktį per visą temperatūros ciklą ir užpildo visas galimas spragas, palaikydami šiluminį kontaktą. Antrasis būdas yra paleisti šildytuvą esant minimaliai parengties režimo temperatūrai, o ne atvėsinti iki aplinkos tarp ciklų. Kai šildytuvas veikia nuo 150 C iki 400 C, o ne nuo 20 C iki 400 C, sąsajos įtempių kitimas sumažėja maždaug 50%. Trečias būdas yra nustatyti mažesnio išorinio skersmens apvalkalą su tokiu pat sienelės storiu. Radialinis standumas yra proporcingas ketvirtajai skersmens laipsniai. Taigi, 6 mm OD apvalkalas su 1,0 mm sienele turi didesnį radialinį standumą nei 10 mm OD apvalkalas su 1,0 mm sienele. Projektuotojas gali sumažinti skersmenį, kad gautų pranašumus dėl plonos sienelės šilumos reagavimo ir vis tiek turėtų sąsajų kontaktą su aukštesnėmis temperatūromis. Kai plonos sienos nurodytos cikliniam naudojimui aukštoje temperatūroje{20}}, inžinieriai turėtų paprašyti šildytuvų gamintojų atlikti sąsajos įtempių skaičiavimus. Analizė yra nuotekų mažinimo koeficiento, MgO tankinimo tankio ir numatomo temperatūros profilio funkcija. Jei negalite gauti šios analizės iš gamintojo, kyla abejonių, ar jis gamina patikimą šildytuvą sudėtingiems cikliniams darbams.