Kokia reikalinga keraminio kaitinimo elemento ir jo metalinio korpuso šiluminio plėtimosi tolerancija?

Keraminiai kaitinimo elementai naudojami aukštos temperatūros pramoniniuose šildytuvuose ir spinduliavimo plokštėse. Jie veikia daugiau nei 500 laipsnių kampu. Kai šios trapios medžiagos įterpiamos į plieninį rėmą, atsiranda rimtas mechaninis neatitikimas. Pagrindinis gedimo taškas yra šiluminio plėtimosi neatitikimas keraminio šildytuvo metalinės plokštės kontaktui, kuris paprastai įtrūksta terminio ciklo metu. Norint to išvengti, svarbu tinkamai tvarkyti klirensą.

Kaitinant keraminės ir metalinės dalys plečiasi labai skirtingu greičiu. Užkirtus kelią šiam diferenciniam mobilumui, keramikos elementas veikia kaip standus kūnas, veikiamas įtempių, dėl kurių prasideda ir išplinta lūžiai.

Keraminių ir metalinių konstrukcijų šiluminio plėtimosi neatitikimas.
Tokios medžiagos kaip aliuminio oksidas (Al2O3) arba silicio karbidas turi mažus šiluminio plėtimosi koeficientus (CTE). Šios CTE vertės paprastai yra diapazone:

Aliuminio oksidas: ~8 x 10-6 / laipsnis

Silicio karbidas: ~4-5x10⁻⁶/laipsnis (priklauso nuo klasės)

Palyginimui, įprasti konstrukciniai metalai plečiasi žymiai greičiau:

304 nerūdijantis plienas: ~17 x 10⁻⁶ / laipsnis

Švelnus plienas ~ 12-13 x 10-6 / laipsnis

Aliuminio lydiniai ~22-24 x 10-6/ laipsnis

Šis neatitikimas sukelia didelį skirtumą, kai temperatūra padidėja 500 laipsnių. Pavyzdžiui, nerūdijantis plienas tame pačiame temperatūros diapazone gali išsiplėsti net dvigubai daugiau nei aliuminio oksidas. Dėl šio skirtumo susidaro keramikos gniuždymo įtempis arba aušinimo metu atsiranda tempimo įtempis, dėl kurio gali atsirasti įtrūkimų.

Tai dažnai vadinama terminio plėtimosi neatitikimu keraminio šildytuvo metalo plokštės įtempių sąveika.

Inžineriniai sprendimai įvairiam augimui
Keraminių šildytuvų mazgai nėra tvirtai suvaržyti, bet yra pagaminti laikantis reglamentų, kad būtų išvengta mechaninių gedimų. Tikslas yra gauti nepriklausomą medžiagų šiluminį plėtimąsi, išlaikant elektrinį ir šiluminį funkcionalumą.

Kontroliuojamo tarpo dizainas
Keraminė dalis yra specialiai atskirta nuo metalinio korpuso. Ši erdvė leidžia laisvai plėstis be tiesioginių mechaninių suvaržymų. Tarpas priklauso nuo maksimalios darbinės temperatūros ir medžiagos CTE svyravimų.

Tarpiniai sluoksniai atitinka
Paprastai erdvė užpildoma suspaudžiama aukštos temperatūros medžiaga, tokia kaip:

keraminio pluošto antklodės,

Žėručio izoliacijos lakštai

Aukštos temperatūros silikoniniai arba keraminiai klijai

Šios medžiagos suteikia mechaninius buferius, kurie sugeria šlyties judesius, išlaikant kontaktą arba termiškai izoliaciją.

Oro tarpas ir sandarinimo strategija
Kai kuriose versijose išlaikomas suprojektuotas oro tarpas, kuris uždaromas naudojant aukštos temperatūros tarpiklius. Sandariklis slopina teršalų patekimą, bet prisitaiko prie plėtimosi judėjimo. Tiesą sakant, tarpas yra ne defektas, o kontroliuojama mechaninio pobūdžio saugos priemonė.

Darbinės temperatūros projektinis patvirtinimas
Vienas iš pagrindinių dizaino principų yra tai, kad mechaninis pritaikymas normaliai temperatūrai nereiškia stabilumo aukštesnėje temperatūroje. Agregatai, kurie montuojant atrodo gerai pritvirtinti, šiluminio plėtimosi metu gali patirti žalingą įtempį.

Patvirtinimo procedūros dažnai apima:

Šiluminio ciklo bandymai iki maksimalios darbinės temperatūros

Įtempių pasiskirstymo šildymo rampos metu matavimai

Mikroįtrūkimų patikrinimas po pirmojo terminio poveikio

„Suderinamo sluoksnio suspaudimo elgsenos patikrinimas“

Keraminių šildymo modulių gamintojai paprastai siūlo montavimo instrukcijas, kurios yra būdingos:

Radialinis ir ašinis tarpas, minimalus

Rekomenduojamos izoliacinės arba klijavimo medžiagos

Didžiausia leistina suspaudimo jėga

Keramikos gedimas dažniausiai atsiranda dėl šių specifikacijų nesilaikymo.

Mechaninis elgesys šiluminio ciklo metu
Sąsaja rodo nuovargį{0}}panašų elgesį dėl ciklinio šildymo ir vėsinimo. Netgi nedideli išplėtimo neatitikimai atsiranda laikui bėgant, ypač tose vietose, kuriose yra didelių apribojimų.

Dėl neatitikimo keramikos elementas gali:

Kraštų skilimas dėl vietinės įtampos koncentracijos

Vidinis lūžimas aušinimo metu dėl tempimo įtempių

Delaminacija nuo klijų sluoksnių esant šlyties apkrovai

Gerai pastatyti atitikties sluoksniai paskirsto šį slėgį ir žymiai padidina eksploatavimo laiką.

Santrauka
Pagrindinė metalinių gaubtų ir keraminių šildytuvų šiluminio suderinamumo problema yra diferencinio plėtimosi pritaikymas. Šiluminio plėtimosi neatitikimas keraminio šildytuvo metalinės plokštės sąveikai turėtų būti sprendžiamas su inžineriniais tarpais ir suderinamomis medžiagomis, o ne kietu agregatu.

Pagrindinė aukštos temperatūros mechaninio projektavimo taisyklė yra gerbti natūralių medžiagų plėtimąsi. Kai keramika ir metalai sumaišomi, terminis projektavimas ir mechaninis projektavimas tampa neatsiejamos disciplinos, kur reguliuojamas lankstumas užtikrina konstrukcijos vientisumą visame eksploatacinių temperatūrų diapazone.