Comment la méthode de montage d'un élément chauffant à gaine en titane (à bride ou à raccord fileté) modifie-t-elle la répartition des contraintes au niveau de la jonction de la broche froide lorsqu'elle est soumise à un cycle thermique de 20 degrés à 180 degrés ?

Le compromis de base lors du montage d'un radiateur pour un service à -cycle thermique-élevé
Les radiateurs à boîtier en titane sont souvent installés à travers les parois du réservoir à l'aide d'un raccord à bride (boulonné à une bride correspondante) ou d'un raccord fileté (vissé dans un raccord soudé). La jonction de la broche froide, où le fil de résistance interne se joint au fil électrique externe, subit la plus grande contrainte thermique pendant le cycle allant de la température ambiante (20 degrés) à la température du processus (180 degrés). La manière dont la gaine est montée affecte la manière dont elle se dilate et se contracte par rapport à la paroi fixe du réservoir et a ainsi un effet direct sur la manière dont la contrainte est répartie à ce carrefour vital. Le support à bride offre une certaine souplesse radiale et axiale, mais le raccord fileté contraint la gaine de manière rigide. L'épaisseur de la paroi interagit avec la méthode de montage : une paroi plus épaisse améliore la rigidité axiale et transmet une plus grande contrainte thermique à la connexion à broche froide. Cette analyse compare les répartitions de contraintes pour les montages à brides et filetés et fournit des suggestions de sélection pour les applications à cycles à haute température.

Effet sur l'intégrité mécanique : contrainte de jonction des broches froides
Pour un élément chauffant en titane de 500 mm de longueur, l'expansion axiale est ΔL=× L × ΔT=8.6e-6 × 500 × 160=0.69 mm lorsqu'il est chauffé de 20 degrés à 180 degrés. La gaine est fermement maintenue dans un support de mamelon fileté au niveau des filetages. Cette expansion limitée génère une contrainte de compression axiale de σ_axial=E × × ΔT=105 GPa × 8,6e-6 × 160=144 MPa. Cette tension est immédiatement transférée à la jonction froide de la broche où la gaine passe de chauffée à non chauffée. Pour un mur de 1,0 mm, cette contrainte est inférieure à la limite d'élasticité de 275 MPa et présente donc un comportement élastique. Mais rouler fréquemment produit de la fatigue au niveau des articulations. Pour un mur de 1,8 mm la contrainte axiale est de 144 MPa (indépendante de l'épaisseur de paroi pour une contrainte rigide) mais la rigidité en flexion à la jonction est plus élevée, donc moins de capacité à compenser de légers désalignements. Une analyse par éléments finis démontre que le facteur de concentration de contraintes au niveau de la jonction froide augmente de 2,5 pour la paroi de 1,0 mm à 3,2 pour la paroi de 1,8 mm, avec des contraintes maximales localisées correspondantes de 360 ​​MPa et 460 MPa. La paroi de 1,8 mm dépasse la limite d'élasticité locale, ce qui entraîne une déformation plastique à chaque cycle et une rupture rapide par fatigue.

Le radiateur est fixé dans un support à bride avec un joint, bien qu'il ne soit pas fixé de manière rigide. La bride permet à la gaine de glisser un peu à travers le joint au fur et à mesure de son expansion. La force de friction au niveau du joint (et non le module de section complète) résiste à l'expansion et réduit la contrainte axiale d'un facteur de 5 à 10 à 15 à 30 MPa. La contrainte au niveau de la jonction froide des broches est inférieure à 50 MPa, ce qui se situe dans la limite élastique pour les parois de 1,0 mm et 1,8 mm. Le support à bride découple essentiellement la dilatation thermique de la jonction des broches froides.

Impact sur les performances thermiques : perte de chaleur et dommages aux joints
La méthode de montage influence également la transmission thermique au niveau de la broche froide. Dans un raccord fileté, le contact métal-sur-métal assure une bonne conduction thermique de la gaine à la paroi du réservoir, refroidissant la jonction de la broche froide et maintenant l'étanchéité électrique. Mais ce refroidissement entraîne également une perte de chaleur, ce qui réduit l'efficacité du système de 2 à 5 %. Dans un montage à bride, le joint (PTFE ou fibre comprimée en général) est un isolant, réduisant la perte de chaleur à moins de 1 %, mais permettant à la jonction froide de la broche de fonctionner à plus chaud. Pour un fonctionnement à 180 degrés, la broche froide sur un support à bride peut être de 120 à 140 degrés nécessitant des fils conducteurs haute température et une isolation en silicone ou en fibre de verre. L’épaisseur de la paroi n’a pas beaucoup d’influence sur ces différences thermiques.

Comment choisir une méthode de montage : une synthèse du compromis-
Type de montage Épaisseur de paroi Contrainte maximale à la broche froide (cycle de 20 degrés à 180 degrés) Application recommandée Perte de chaleur Durée de vie en fatigue (cycles jusqu'à la défaillance)
Raccord fileté 1,0 mm 360 MPa (localisé) 5 000 – 10 000 cycles 3 – 5 % Applications à faible-cycles (< 5,000 cycles) with thin wall.
Mamelon fileté 1,8 mm 460 MPa (localisé) 1 000 – 2 000 cycles 3 – 5 % Non recommandé - déformation plastique par cycle
Joint de bride en PTFETout (1,0-1,8 mm) < 50 MPa > 100 000 cycles < 1 % Préféré pour les applications à cycles élevés-ou à haute température.
Flanged with metal gasket (spiralwound)Any < 80 MPa > 50,000 cycles1 - 2% High temperature (>200 degrés) où le PTFE se décompose.
Boucles d'expansion d'ingénierie et connexions flexibles au-delà du support
Si l'application nécessite un montage fileté (c'est-à-dire une mise à niveau dans des raccords existants), le tube chauffant contient une boucle d'expansion (coude à 180 degrés) entre la section chauffée et la jonction de la broche froide pour absorber mécaniquement la dilatation thermique et réduire les contraintes au niveau de la broche froide, indépendamment de l'épaisseur de la paroi. Une courbe à 90 degrés de rayon 50 mm réduit la charge axiale transmise de 70 %. Alternativement, un raccord de tuyau métallique flexible est utilisé entre le radiateur et le boîtier électrique pour isoler la broche froide des forces de dilatation thermique.

CONCLUSION : Support à bride préféré pour un service à cycle thermique élevé
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 mm). Les parois filetées de 1,8 mm ont une durée de vie en fatigue de seulement 1 000 à 2 000 cycles. La gaine avec montage à bride glisse à travers le joint et la contrainte maximale reste inférieure à 50 MPa quelle que soit l'épaisseur de la paroi, ce qui entraîne > 100 000 cycles. Lorsque l'installation filetée est inévitable, utilisez une paroi mince (inférieure ou égale à 1,0 mm) et une boucle d'expansion. Pour les nouvelles installations où une grande durabilité est requise sous des cycles thermiques, la spécification de choix est un montage à bride avec joint PTFE. L'épaisseur de la paroi est définie en fonction des exigences de corrosion et de pression, et non des contraintes provoquées par le montage.