Каква е максимално допустимата деформация за дълъг 1,5 м PFA нагревател, поддържан само на горния фланец?

Вертикалният PFA нагревател е конзолна греда, поддържана единствено в горния фланец. Напрежение при огъване, създадено от собственото тегло. Аксиалното напрежение генерира термично разширение. За нагревател с дължина 1,5 m, OD 25 mm, с дебелина на стената 2 mm, максимално допустимата деформация на върха (дъното), преди да настъпи трайна деформация или счупване на фланеца, е 15–25 mm. Това отклонение възлиза на ъгъл на върха от 0,6-1,0 градуса. Ако деформацията надвишава 30 mm, PFA е поддал или фланецът е пренапрегнат. Нагревателят е при работна температура (топлинното разширение го изправя до известна степен) и след това се измерва деформацията от вертикалната ос. За нагреватели, по-дълги от 1,5 m, осигурете опора в средата на разстоянието. Безопасните граници на отклонение използват проста изчислителна техника.

Деформация на конзолния нагревател
За еднакъв прът с дължина L, тегло W, външен диаметър D и модул E, деформацията на върха δ=W × L 3 /8 × E × I, където I=π × (D 4 – d 4 )/64. За 1,5 m (1500 mm) PFA нагревател: D=25 mm, t=2 mm (d=21 mm), тегло ~ 2,5 kg (24,5 N). E при 100 градуса ~ 350 MPa. I=(pi x (25^4-21^4)/64)=(pi x (390 625-194 481)/64)=(pi x 196 144)/64=3.14 x 3,060=9,630 mm^4 делта=(24,5 x 1500^3) / (8 x 350 x 9630)=(24,5 x 3,375e9) / (8 x 3,37e6)=(8,27e10) / (2,70e7)=3,060 mm? 3 метра. Това не е възможно. Грешката: теглото трябва да е в N/mm? Не, уравнението е в последователни единици. L=1500 mm, W=24.5 N, E=350 N/mm^2, I=9,630 mm^4. W×L^3=24.5 × 3,375e9=8.27e10 N·mm^3. 8×E×I=8 × 350 × 9,630=8 × 3370,500=26,964 000 N·mm^2. δ=8.27e10 / 2,70e7=3,063 mm=3 метра. Грешно-PFA щеше да падне на пода. Грешка: при 100 градуса E=350 MPa=350 N/mm2 е правилно. Но формулата дава δ в mm. 3 метра е абсурдно. Вижте: За стоманена конзола (E=200,000 MPa) със сравними размери, δ=3,063 × (350/200 000) ≈ 5,4 mm. Това има смисъл. За PFA с E=350 MPa, δ=5.4 mm × (200 000/350)=5.4 × 571=3,085 mm. Да, PFA е толкова гъвкав, че прът от 1,5 м ще се огъне на 3 метра под собственото си тегло. Но PFA нагревател има метална сърцевина (Incoloy, E~200 000 MPa), която поема товара. Металното ядро ​​доминира цялостната твърдост на композита. За ядро OD=21 mm, ID=10 mm (типично) I_core=0.0491 x (21^4-10^4)=0.0491 x (194,481-10,000)=0.0491 x 184,481=9,050 mm^4 E_core=200,000 MPa PFA не допринася много за твърдост. Композитна деформация δ=WL 3 8 E сърцевина I сърцевина=8.27e10 8×200000×9050=8.27e10 8×1,81e9=8.27e10 1.45e10=5.7 mm . Това е истинското отклонение. Ако не се поддържа, самият PFA ще се отклони на 3 метра. Металната сърцевина го държи изправена. Следователно границата на деформация се определя от контактното напрежение PFA-метал, а не от самата коравина на PFA.

Допустими граници на отклонение за дължина на нагревателя
Дължина на нагревателя (mm) Метална сърцевина OD (mm) Стена на сърцевината (mm) Изчислена деформация на върха (mm) Максимално допустима деформация (mm) Ограничаващ фактор 1,000 21 3 1.9 10 Напрежение на фланеца 1,200 21 3 3.0 12 Напрежение на фланеца 1,500 21 3 5.7 15 PFA-метален интерфейс
1,800 21 3 9.2 18 PFA-метален интерфейс 2,000 21 3 12.5 20 Граница на огъване на сърцевината 1,500 25 4 3.6 20 По-твърдата сърцевина позволява по-голяма деформация 1500 (добавете средна опора) 21 3 0.7 (при опора) 5 (между опорите) Подпората предотвратява значителна деформация
Когато отклонението е проблем
10-20 mm деформация (видимо накланяне на нагревателя) е приемливо, но повече деформация води до:

Напукване на фланеца: Момент на огъване на фланеца в студения край M=W × L/2 (около 18N-m за 1,5 m нагревател). Този момент предизвиква напрежение върху PFA фланеца. Моментът при отклонение от 25 мм се увеличава с 10-15% с преместването на центъра на масата на нагревателя.

Разслояване при PFA-метална повърхност: Когато се огъне, едната страна на сърцевината е в напрежение, а другата в компресия. Контактът се уморява от циклично огъване (поток на течност, разбъркване).

Контакт със стената на резервоара: Изкривен нагревател > 30 mm може да удари стената на резервоара, причинявайки локализирана гореща точка и риск от късо съединение.

Деформациите на върха над 25 mm за нагревател от 1,5 m изискват водещ пръстен със среден-обхват (без-затягане, 2–3 mm хлабина) или долна опорна скоба. За наистина дълги нагреватели не зависят само от фланеца.

Измерване на полето
Измерете отклонението от централната линия на горния фланец с отвес. Измерете хоризонталното разстояние от централната линия на върха до отвеса. Сравнете с разстоянието на половината-точка. Приемливо: изместване на върха По-малко или равно на дължина/100 (15 mm за 1,5 m). Ако изместването на върха е повече от 20 mm, осигурете опора.

Заключение: 15-25 mm Максимално отклонение за 1,5 m нагревател
За PFA нагревател с дължина 1,5 m, поддържан изключително на горния фланец, максимално допустимото изкривяване на върха преди влошаване на производителността или счупване на фланеца е 15-25 mm. Стоманената сърцевина поема тежестта, така че деформацията е незначителна (5-10 mm само под гравитация). Всяко допълнително отклонение, причинено от топлинно разширение, поток на флуид или разместване, трябва да се наблюдава. Деформация/дължина=1/100 правило: деформация<= length/100 . For 1.5 m it is 15 mm. If greater than 1.5 m, add mid-span supports. A few millimetres of deflection will do no harm. 25mm spells problems. Measure. Brace. Straighten. Your heater will stay true and last longer. The flange can only take so much. Help the others.