20 ডিগ্রী থেকে 180 ডিগ্রীতে থার্মাল সাইকেল চালানোর সময় কোল্ড পিন জংশনে টাইটানিয়াম শীথড হিটার (ফ্ল্যাঞ্জড বনাম থ্রেডেড নিপল) মাউন্ট করার পদ্ধতি কীভাবে স্ট্রেস ডিস্ট্রিবিউশনকে পরিবর্তন করে?

উচ্চ-থার্মাল-সাইকেল পরিষেবার জন্য একটি হিটার মাউন্ট করার প্রাথমিক সমঝোতা
টাইটানিয়াম এনকেসড হিটারগুলি প্রায়শই ট্যাঙ্কের দেয়ালের মাধ্যমে একটি ফ্ল্যাঞ্জযুক্ত সংযোগ (একটি সংশ্লিষ্ট ফ্ল্যাঞ্জের সাথে বোল্ট করা) বা একটি থ্রেডেড স্তনবৃন্ত (একটি ঢালাইযুক্ত কাপলিংয়ে স্ক্রু করা) ব্যবহার করে ইনস্টল করা হয়। কোল্ড পিন জংশন, যেখানে অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের তারটি বাহ্যিক বৈদ্যুতিক সীসার সাথে মিলিত হয়, পরিবেষ্টিত (20 ডিগ্রি) থেকে প্রক্রিয়া তাপমাত্রা (180 ডিগ্রি) পর্যন্ত সাইকেল চালানোর সময় সর্বাধিক তাপীয় চাপ অনুভব করে। খাপটি যেভাবে মাউন্ট করা হয় তা ট্যাঙ্কের নির্দিষ্ট প্রাচীরের সাথে সম্প্রসারিত এবং সংকুচিত হওয়ার পদ্ধতিকে প্রভাবিত করে এবং এইভাবে, এই গুরুত্বপূর্ণ সন্ধিক্ষণে যেভাবে চাপ বিতরণ করা হয় তার উপর সরাসরি প্রভাব ফেলে। ফ্ল্যাঞ্জযুক্ত মাউন্ট কিছু রেডিয়াল এবং অক্ষীয় সম্মতি প্রদান করে, কিন্তু থ্রেডযুক্ত স্তনবৃন্তটি খাপটিকে কঠোরভাবে সীমাবদ্ধ করে। দেয়ালের পুরুত্ব মাউন্টিং পদ্ধতির সাথে মিথস্ক্রিয়া করে: ঘন প্রাচীর অক্ষীয় দৃঢ়তা উন্নত করে এবং কোল্ড পিন সংযোগে বৃহত্তর তাপীয় স্ট্রেন প্রেরণ করে। এই বিশ্লেষণটি ফ্ল্যাঞ্জযুক্ত এবং থ্রেডেড মাউন্টিংয়ের জন্য চাপ বিতরণের তুলনা করে এবং উচ্চ তাপমাত্রা চক্র অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য নির্বাচনের পরামর্শ প্রদান করে।

যান্ত্রিক অখণ্ডতার উপর প্রভাব: কোল্ড পিন জংশন স্ট্রেস
500 মিমি দৈর্ঘ্যের একটি টাইটানিয়াম হিটারের জন্য, অক্ষীয় প্রসারণ ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 মিমি যখন 20 ডিগ্রি থেকে 180 ডিগ্রি পর্যন্ত উত্তপ্ত হয়। খাপ শক্তভাবে একটি থ্রেডেড স্তনবৃন্ত মাউন্ট থ্রেড এ রাখা হয়. এই সীমিত প্রসারণটি σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8.6e-6 × 160=144 MPa এর একটি অক্ষীয় সংকোচনমূলক চাপ তৈরি করে। এই উত্তেজনা অবিলম্বে ঠান্ডা পিনের সংযোগস্থলে স্থানান্তরিত হয় যেখানে আবরণ উত্তপ্ত থেকে উত্তপ্ত অবস্থায় পরিবর্তিত হয়। 1.0 মিমি প্রাচীরের জন্য, এই চাপটি 275 MPa এর ফলন শক্তির নীচে, এবং তাই ইলাস্টিক আচরণ দেখায়। কিন্তু ঘন ঘন রাইডিং জয়েন্টে ক্লান্তি তৈরি করে। একটি 1.8 মিমি প্রাচীরের জন্য অক্ষীয় চাপ 144 MPa (একটি অনমনীয় সীমাবদ্ধতার জন্য প্রাচীরের বেধ থেকে স্বাধীন) কিন্তু সংযোগস্থলে বাঁকানো দৃঢ়তা বেশি, তাই সামান্য মিস্যালাইনমেন্টের ক্ষতিপূরণ করার ক্ষমতা কম। একটি সীমিত উপাদান বিশ্লেষণ দেখায় যে কোল্ড পিন জংশনে স্ট্রেস কনসেন্ট্রেশন ফ্যাক্টর 1.0 মিমি প্রাচীরের জন্য 2.5 থেকে 1.8 মিমি প্রাচীরের জন্য 3.2 পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়, 360 MPa এবং 460 MPa এর সংশ্লিষ্ট স্থানীয় শিখর চাপ সহ। 1.8 মিমি প্রাচীর স্থানীয় ফলন শক্তিকে অতিক্রম করে, যার ফলে প্রতি চক্রে প্লাস্টিকের বিকৃতি ঘটে এবং দ্রুত ক্লান্তি ব্যর্থ হয়।

হিটারটি একটি গ্যাসকেটের সাথে একটি ফ্ল্যাঞ্জ মাউন্টে বেঁধে দেওয়া হয়, যদিও এটি কঠোরভাবে স্থির করা হয় না। ফ্ল্যাঞ্জটি প্রসারিত হওয়ার সাথে সাথে খাপটিকে গ্যাসকেটের মধ্য দিয়ে কিছুটা পিছলে যেতে দেয়। গ্যাসকেটের ঘর্ষণ বল (সম্পূর্ণ সেকশন মডুলাস নয়) সম্প্রসারণকে প্রতিরোধ করে এবং 5-10 থেকে 15-30 MPa এর ফ্যাক্টর দ্বারা অক্ষীয় চাপ কমায়। কোল্ড পিনের জংশনে স্ট্রেস 50 MPa-এর কম, যা 1.0 মিমি এবং 1.8 মিমি দেয়ালের জন্য ইলাস্টিক সীমার মধ্যে। ফ্ল্যাঞ্জযুক্ত মাউন্ট মূলত কোল্ড পিন জংশন থেকে তাপীয় প্রসারণকে ডিকপল করে।

থার্মাল পারফরম্যান্সের উপর প্রভাব: তাপের ক্ষতি এবং গ্যাসকেটের ক্ষতি
মাউন্টিং পদ্ধতিটি ঠান্ডা পিনে তাপ সংক্রমণকেও প্রভাবিত করে। একটি থ্রেডেড স্তনবৃন্তে, ধাতব-থেকে-ধাতুর যোগাযোগ খাপ থেকে ট্যাঙ্কের প্রাচীর পর্যন্ত ভাল তাপ পরিবাহিতা দেয়, ঠান্ডা পিনের সংযোগস্থলকে ঠান্ডা করে এবং বৈদ্যুতিক সীল বজায় রাখে। কিন্তু এই শীতল হওয়ার অর্থ তাপ হ্রাস, যা সিস্টেমের কার্যকারিতা 2-5% কমিয়ে দেয়। একটি ফ্ল্যাঞ্জড মাউন্টে, গ্যাসকেট (পিটিএফই বা সাধারণভাবে সংকুচিত ফাইবার) হল একটি নিরোধক, যা তাপের ক্ষতি 1%-এর কম করে, কিন্তু কোল্ড পিনের সংযোগকে আরও গরম করতে দেয়। 180 ডিগ্রিতে অপারেশনের জন্য, একটি ফ্ল্যাঞ্জ মাউন্টের কোল্ড পিন 120-140 ডিগ্রি হতে পারে যার জন্য উচ্চ তাপমাত্রার সীসা তার এবং সিলিকন বা ফাইবারগ্লাস নিরোধক প্রয়োজন। প্রাচীরের বেধ এই তাপের পার্থক্যকে বেশি প্রভাবিত করে না।

কিভাবে একটি মাউন্টিং পদ্ধতি চয়ন করবেন: একটি সংশ্লেষণ অফ দ্য ট্রেড-বন্ধ
কোল্ড পিনে মাউন্টিং টাইপ ওয়াল থিকনেস পিক স্ট্রেস (20 ডিগ্রী থেকে 180 ডিগ্রী সাইকেল) প্রস্তাবিত অ্যাপ্লিকেশন হিট লস ক্লান্তি জীবন (ব্যর্থতার চক্র)
থ্রেডেড স্তনবৃন্ত 1.0 মিমি 360 MPa (স্থানীয়) 5,000 – 10,000 চক্র 3 – 5% কম-চক্র অ্যাপ্লিকেশন (< 5,000 cycles) with thin wall.
থ্রেডেড স্তনবৃন্ত 1.8 মিমি 460 MPa (স্থানীয়) 1,000 – 2,000 চক্র 3 – 5% বাঞ্ছনীয় নয় - প্রতি চক্রে প্লাস্টিকের বিকৃতি
PTFE Flange GasketAny (1.0-1.8 মিমি) < 50 MPa > 100,000 চক্র < 1% উচ্চ-চক্র বা উচ্চ-তাপমাত্রার অ্যাপ্লিকেশনের জন্য পছন্দ।
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 ডিগ্রী) যেখানে PTFE ভেঙে যায়।
প্রকৌশল সম্প্রসারণ লুপ এবং মাউন্টের বাইরে নমনীয় সংযোগ
যদি অ্যাপ্লিকেশনটির জন্য একটি থ্রেডেড মাউন্টিং (অর্থাৎ, বিদ্যমান কাপলিংগুলিতে একটি রেট্রোফিট) প্রয়োজন হয়, হিটার টিউবটিতে উত্তপ্ত অংশ এবং কোল্ড পিনের সংযোগস্থলের মধ্যে একটি সম্প্রসারণ লুপ (180 ডিগ্রি বাঁক) থাকে যা যান্ত্রিকভাবে তাপীয় সম্প্রসারণ শোষণ করে এবং দেয়ালের পুরুত্বের থেকে স্বাধীন ঠান্ডা পিনে চাপ কমাতে পারে। 50 মিমি ব্যাসার্ধের একটি 90 ডিগ্রি বক্ররেখা 70% দ্বারা প্রেরিত অক্ষীয় লোডকে হ্রাস করে। বিকল্পভাবে, হিটার এবং বৈদ্যুতিক ঘেরের মধ্যে একটি নমনীয় ধাতব পায়ের পাতার মোজাবিশেষ সংযোগ ব্যবহার করা হয় তাপীয় সম্প্রসারণ শক্তি থেকে ঠান্ডা পিনকে নিরোধক করতে।

উপসংহার: উচ্চ তাপ চক্র পরিষেবার জন্য ফ্ল্যাঞ্জ মাউন্ট পছন্দ করা হয়
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 মিমি)। থ্রেডেড 1.8 মিমি দেয়ালে মাত্র 1,000-2,000 চক্রের ক্লান্তি জীবন থাকে। ফ্ল্যাঞ্জযুক্ত মাউন্টিং সহ খাপটি গ্যাসকেটের মধ্য দিয়ে স্লাইড করে এবং দেওয়ালের পুরুত্ব নির্বিশেষে সর্বোচ্চ স্ট্রেস 50 MPa-এর নিচে থাকে, যার ফলে > 100,000 চক্র হয়। যেখানে থ্রেডেড ইনস্টলেশন অনিবার্য সেখানে পাতলা প্রাচীর ব্যবহার করুন (1.0 মিমি থেকে কম বা সমান) এবং একটি প্রসারণ লুপ। নতুন ইনস্টলেশনের জন্য যেখানে তাপ সাইক্লিংয়ের অধীনে উচ্চ স্থায়িত্ব প্রয়োজন, পছন্দের স্পেসিফিকেশন হল PTFE গ্যাসকেট সহ একটি ফ্ল্যাঞ্জ মাউন্ট। দেয়ালের বেধ জারা এবং চাপের প্রয়োজনীয়তার উপর ভিত্তি করে সেট করা হয়, এবং মাউন্টিং দ্বারা সৃষ্ট চাপ নয়।