Вертикален PFA нагревател, поддържан само в горния фланец, действа като конзолна греда. Неговото собствено тегло създава напрежение при огъване, а топлинното разширение добавя аксиално напрежение. Максималната допустима деформация на върха (дъното) преди постоянна деформация или напукване на фланеца е 15–25 mm за нагревател с дължина 1,5 m, 25 mm OD с дебелина на стената 2 mm. Това отклонение съответства на ъгъл на върха от 0,6–1,0 градуса. Надвишаването на деформация от 30 mm показва провлачване на PFA или пренапрежение на фланеца. Деформацията се измерва от вертикалната ос, когато нагревателят е при работна температура (топлинното разширение го изправя донякъде). За нагреватели, по-дълги от 1,5 m, добавете средни-подпори. Прост метод за изчисление определя безопасните граници на отклонение.
Изчисляване на деформацията за конзолен нагревател
За равномерен прът с дължина L, тегло W, външен диаметър D и модул E, деформацията на върха δ=(W × L³) / (8 × E × I), където I=π × (D4 – d⁴) / 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=π × (25⁴ – 21⁴)/64=0.0491 × (390 625 – 194 481)=0.0491 × 196, 144=9,630 mm⁴. δ=(24,5 × 1500³) / (8 × 350 × 9630)=(24,5 × 3,375e9) / (8 × 3,37e6)=(8,27e10) / (2,70e7)=3,060 mm? Това е невъзможно (3 метра). Грешката: теглото трябва да е в N/mm? Не, формулата е в последователни единици. Използвайте N и mm: L=1500 mm, W=24.5 N, E=350 N/mm², I=9,630 mm⁴. W×L³=24.5 × 3,375e9=8.27e10 N·mm³. 8×E×I=8 × 350 × 9,630=8 × 3370,500=26,964 000 N·mm². δ=8.27e10 / 2,70e7=3,063 mm=3 метра. Явно погрешно-PFA би паднал на пода. Грешката: при 100 градуса E=350 MPa=350 N/mm² е правилна. Но формулата, която дава δ в mm. 3 метра, е абсурдна. Нека проверя: за стоманена конзола (E=200,000 MPa) със същите размери, δ ще бъде 3 063 × (350/200 000) ≈ 5,4 mm. Това е правдоподобно. 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 1,5 м въдица би провиснала 3 метра под собственото си тегло. Но PFA нагревателят има метална сърцевина (Incoloy, E≈200 000 MPa), която носи товара. Композитната твърдост е доминирана от металната сърцевина. За сърцевина OD=21 mm, ID=10 mm (типичен), I_core=0.0491 × (21⁴ – 10⁴)=0.0491 × (194 481 – 10 000)=0.0491 × 184,481=9,050 mm⁴. E_core=200,000 MPa. PFA добавя малко твърдост. Композитно отклонение δ=(W × L³) / (8 × E_core × I_core)=8.27e10 / (8 × 200 000 × 9 050)=8.27e10 / (8 × 1,81e9)=8.27e10 / 1,45e10=5.7 mm. Това е истинското отклонение. Самият PFA би се отклонил на 3 m, ако не се поддържа, но металната сърцевина го държи изправен. Така че границата на деформация се определя от PFA-напрежението на повърхността на метала, а не от собствената твърдост на PFA.
Допустими граници на отклонение по дължина на нагревателя
| Дължина на нагревателя (mm) | Метална сърцевина OD (mm) | Основна стена (mm) | Изчислена деформация на върха (mm) | Максимална 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-твърдото ядро позволява повече деформация |
| 1500 (добавете средна поддръжка) | 21 | 3 | 0.7 (при поддръжка) | 5 (между опорите) | Подпората предотвратява голямо отклонение |
Когато отклонението стане проблематично
Видимо отклонение (накланяне на нагревателя) от 10–20 mm е приемливо, но по-голямото отклонение причинява:
Напукване на фланеца: Фланецът на студения край изпитва момент на огъване M=W × L/2 (приблизително 18 N·m за 1,5 m нагревател). Този момент натоварва PFA фланеца. При отклонение от 25 mm, моментът се увеличава с 10–15%, тъй като центърът на масата на нагревателя се измества.
PFA-отслояване на метален интерфейс: Огъването създава напрежение от едната страна на сърцевината, компресия от другата. Цикличното огъване (флуиден поток, разбъркване) уморява интерфейса.
Контакт със стената на резервоара: A heater deflected >30 mm може да докосне стената на резервоара, създавайки локализирана гореща точка и риск от късо съединение.
За 1,5 m нагревател, ако отклонението на върха надвишава 25 mm, монтирайте среден -водещ пръстен (не-затягащ, 2–3 mm хлабина) или долна опорна скоба. Не разчитайте само на фланеца за много дълги нагреватели.
Измерване на полето
За да измерите отклонението, окачете отвес от централната линия на горния фланец. Измерете хоризонталното разстояние от централната линия на върха до отвеса. Сравнете с разстоянието в средната-точка. Приемливо: изместване на върха По-малко или равно на дължина/100 (15 мм за 1,5 м). Ако изместването на върха надвишава 20 mm, добавете опора.
Заключение: 15–25 mm Максимална деформация за 1,5 m нагревател
За PFA нагревател с дължина 1,5 m, поддържан само на горния фланец, максимално допустимото изкривяване на върха е 15–25 mm преди влошаване на производителността или напукване на фланеца. Стоманената сърцевина носи тежестта, така че деформацията е малка (5–10 mm само от гравитацията). Трябва да се следи допълнително отклонение от топлинно разширение, поток на течност или неправилно подравняване. Използвайте правилото за дължина/100: отклонение По-малко или равно на дължина/100. За 1,5 м това са 15 мм. За нагреватели, по-дълги от 1,5 m, добавете средни-подпори. Няколко милиметра отклонение са безвредни. Повече от 25 мм означава проблеми. Измерете, подпрете, изправете. Вашият нагревател ще остане подравнен и ще издържи по-дълго. Фланецът може да направи толкова много. Подкрепете останалите.
