Kako zasnova končnega pokrova (ravna ali kupolasta) zaprte titanove grelne cevi vpliva na njeno sposobnost, da vzdrži notranji tlak-navzgor zaradi razgradnje sledi vlage pri 200 stopinjah?

Osnovni kompromis-pri zasnovi končnega pokrova grelnika iz titana
Zatesnjene titanove grelne cevi so izolirane z magnezijevim oksidom (MgO), ki lahko adsorbira sledi vlage med proizvodnjo ali skladiščenjem. Ko se grelnik aktivira na temperature 200 stopinj na notranji steni, ta vlaga izhlapi in lahko razpade na vodik in kisik. To lahko povzroči nastanek notranjega pritiska in lahko povzroči odpoved končnega pokrova. Zasnova končnega pokrova, bodisi ravnega ali kupolastega, neposredno vpliva na to, kako cev vzdrži ta notranji pritisk. Ravna kapa ima upogibne napetosti s koncentracijo napetosti na zvarnem spoju. Kupolasta kapica je v napetosti membrane. Debelina stene je odvisna od oblike končnega pokrova. Debelejša stena lahko podpira bolj raven pokrov pri večjih pritiskih. Kupolasta kapica zdrži enako stopnjo tlaka s tanjšo steno. Ta analiza meri tlačno zmogljivost ravnih ali kupolastih končnih pokrovov na titanovih grelnih ceveh in daje predloge za izbiro za uporabo pri visokih temperaturah, kjer je nevarnost notranjega tlaka.

Vpliv na mehansko celovitost: porazdelitev napetosti v ravnih in kupolastih pokrovih
Ugotavljamo, da je napetost, ki jo povzroči pritisk v središču ploščate končne kapice, privarjene na titanovo cev z notranjim polmerom r in debelino stene t, podana z $\\sigma_{flat}=0.31*P*r^2/t^2$, kjer P predstavlja notranji tlak. Za običajno 20 mm OD cev (notranji radij 8 mm za 1,0 mm stene) pri notranjem tlaku 10 barov (1 MPa), sigma_flat=(0,31 * 1e6 * 0,008^2) / (0,001^2)=198 MPa. To je le malo višje od meje tečenja titana stopnje 2 (275 MPa), zato je varnostna rezerva zelo majhna. Za kupolasto kapo (polkroglo) je napetost σkupola=P r 2 t, pri čemer se domneva, da je polmer kupole enak polmeru cevi. Pod enakimi pogoji je σ_kupola=(1e6 × 0,008) / (2 × 0,001)=4 MPa-50 nižja od ravnega vrha. Kupolasta kapa nosi obremenitev skoraj v celoti pri napetosti membrane, ne pri upogibanju; je veliko bolj odporen na notranji pritisk. Pri ravnih pokrovčkih način okvare vključuje popustljivost in izboklino okoli središča, nato pa iztrganje zvara. Kupolasti pokrovi običajno odpovejo zaradi splošnega popuščanja pri tlakih, ki so 10- do 20-krat višji od ravnih pokrovov z enako debelino stene.

Vpliv na toplotno zmogljivost: Prenos toplote in proizvodne omejitve
Zasnova končnega pokrova ima le posreden učinek na toplotno učinkovitost. Ploščati pokrovček ima večjo površino v stiku s procesnim medijem, kar lahko izboljša prenos toplote na konici grelnika. Toda razlika je minimalna (običajno<5% of total heating area). More importantly, there is the question of manufacturability. The dome caps are made by pressing or spinning, which is an additional manufacturing process and adds 10–20% to the cost over flat caps. Thin walls (≤1.0 mm) Dome caps Dome caps are easier to successfully weld, since the dome absorbs thermal expansion during welding, thus minimizing the residual stress. Flat caps can be welded with sufficient strength for thick walls (≥1.5 mm) if the tube diameter is small (<16 mm OD). The heat gradient across the end cap in operation is similar for both types, as the cap thickness is normally matched to the tube wall.

Izbirna matrika končne kapice: Sinteza kompromisov-
OD in debelina stene cevi Najvišji varni notranji tlak (ploščat pokrov, razred 2) Največji varni notranji tlak (kupolasti pokrov) Priporočilo za končni pokrov (osnovna inženirska utemeljitev)
12 mm × 0,8 mm 4 bari > 50 bari Kupolasta tanka stena ne prenese upogibne obremenitve ploščatega pokrova.
16 mm × 1,0 mm 6 barov > 40 barov Kupolasta ploščata kapica minimalno; kupolasta zagotavlja varnostno rezervo
20 mm x 1,2 mm 8 barov > 35 barov Kupolasto idealno za zanesljivost. Zmanjšanje napetosti po varjenju je sprejemljivo samo z ravnim pokrovom.
20 mm × 1,6 mm 14 barov > 45 barov Za večino namenov zadostuje bodisi ploščati pokrovček; kupolasta daje dodatno rezervo.
2,0 mm x 25 mm 18 barov > 50 barov Ravno (prihranek stroškov) Debela stena zagotavlja zadostno upogibno trdnost. Over-specifikacija je kupolasta.
Inženiring zunaj pokrova: nadzor vlage in prezračevanje
Najboljši način za obvladovanje povečanega notranjega tlaka-je, da popolnoma preprečite prodiranje vlage. Med polnjenjem z MgO in vakuumskim tesnjenjem je grelec prečiščen z dušikom, da se zmanjša preostala vlaga na manj kot 0,1 % teže, s čimer se prepreči dvig tlaka-celo pri 300 stopinjah. Pri trenutnih grelnikih ali nizkocenovnih zasnovah majhna odzračevalna luknja (premera 0,2–0,5 mm) v končnem pokrovu zagotavlja evakuacijsko pot za notranje pline brez žrtvovanja odpornosti proti koroziji, saj je luknja običajno potopljena in slanica ne vstopa zaradi rahlega pozitivnega notranjega tlaka. Druga možnost je, da se razpočna plošča, ocenjena na 10 barov, vgradi v ploščati pokrov, ki nudi regulirano sprostitev tlaka.

Zaključek: ploščati pokrovi so v redu za debele stene, kupolasti pokrovi so boljši za tanke stene
The heating tube is titanium sealed and it runs at 200C and even trace moisture decomposes and the end cap design is essential to how much pressure it can take. A flat cap experiences bending strains proportional to P x r(squared) / t(squared) whereas a domed cap experiences membrane stresses proportional to P x r / t - a factor of r/t lower. For thin wall (≤1.2mm) on standard 20mm OD tube a domed cap is necessary to safely bear pressures above 5 bar. For thick walls (>=1.6 mm) ravna kapica je v redu, saj izraz t² v imenovalcu zmanjša upogibno napetost na dopustne ravni. Če se ugotovi, da je notranji tlak nevaren (npr. grelniki, shranjeni v vlažnih okoljih pred namestitvijo), je treba določiti kupolasto kapo ali prezračevalno obliko ne glede na debelino stene. Proizvajalcu zagotovite najvišjo predvideno delovno temperaturo in vlažnost pri shranjevanju, da lahko proizvajalec izdela ustrezen končni pokrov za zanesljivo dolgoročno-delovanje.