Osłona termometryczna - Thermowell

Osłony termometryczne to cylindryczne kształtki stosowane do ochrony czujników temperatury instalowanych w procesach przemysłowych. Osłona termometryczna składa się z rury zamkniętej z jednej strony i zamontowanej w strumieniu procesowym. Czujnik temperatury, taki jak termometr , termopara lub rezystancyjny czujnik temperatury, jest umieszczany w otwartym końcu rury, który zwykle znajduje się na wolnym powietrzu na zewnątrz rurociągu procesowego lub zbiornika i dowolnej izolacji termicznej. Pod względem termodynamicznym płyn procesowy przekazuje ciepło do ściany osłony termometrycznej, która z kolei przekazuje ciepło do czujnika. Ponieważ w zespole tulei czujnikowej występuje więcej masy niż w przypadku sondy zanurzonej bezpośrednio w procesie, reakcja czujnika na zmiany temperatury procesu jest spowolniona przez dodanie dołka. Jeśli czujnik ulegnie awarii, można go łatwo wymienić bez opróżniania naczynia lub rur. Ponieważ masa osłony termometrycznej musi zostać podgrzana do temperatury procesu, a ścianki osłony odprowadzają ciepło z procesu, dokładność i czułość czujnika jest zmniejszona przez dodanie osłony.

Tradycyjnie długość osłony termometrycznej ustalano na podstawie stopnia wsunięcia względem średnicy ścianki rury. Ta tradycja jest chybiona, ponieważ może narazić osłonę termometryczną na ryzyko wibracji wywołanych przepływem i uszkodzenia zmęczeniowego. W przypadku obliczania błędów pomiaru dla instalacji, dla izolowanych rurociągów lub zbliżonych do temperatur otoczenia, z wyłączeniem wpływu promieniowania cieplnego, błąd przewodzenia jest mniejszy niż jeden procent, o ile końcówka jest narażona na przepływ, nawet w instalacjach z kołnierzami.

Czas odpowiedzi zainstalowanego czujnika jest w dużej mierze zależny od prędkości płynu i znacznie większy niż czas odpowiedzi samego czujnika. Wynika to z masy termicznej końcówki osłony i współczynnika przenikania ciepła między osłoną a medium.

Argumenty za dłuższymi projektami opierają się na tradycyjnych koncepcjach, ale rzadko są uzasadnione. Długie osłony termometryczne mogą być stosowane w instalacjach o niskiej prędkości lub w przypadkach, gdy doświadczenie historyczne uzasadnia ich użycie. W przypadku nowoczesnych rurociągów o dużej wytrzymałości i przy podwyższonych prędkościach płynów każda instalacja musi być dokładnie zbadana, szczególnie w przypadkach, gdy w procesie występują rezonanse akustyczne.

Reprezentatywna osłona termometryczna jest obrabiana z nawierconego pręta, aby zapewnić właściwe dopasowanie czujnika (np. Otwór 0,260 cala pasujący do czujnika 0,250 cala). Osłona termometryczna jest zwykle montowana w strumieniu procesowym za pomocą gwintowanego, spawanego, sanitarnego nasadki lub kołnierzowego przyłącza procesowego. Czujnik temperatury, taki jak termometr , termopara lub rezystancyjny czujnik temperatury, jest umieszczany w otwartym końcu osłony termometrycznej i zazwyczaj jest obciążony sprężyną, aby zapewnić, że zewnętrzna końcówka czujnika temperatury styka się metal-metal z wewnętrzną końcówką osłona termometryczna. Stosowanie kształtowników spawanych w przypadku długich konstrukcji jest odradzane ze względu na ryzyko korozji i zmęczenia materiału.

Materiały i konstrukcja

Osłona termometryczna chroni przyrząd przed ciśnieniem, siłami przepływu i chemicznymi skutkami płynu procesowego. Zwykle osłona termometryczna jest wykonana z pręta metalowego. Końcówka osłony może mieć zmniejszoną średnicę (jak w przypadku osłony z trzpieniem stożkowym lub schodkowym), aby poprawić szybkość reakcji.

W przypadku niskich ciśnień i temperatur do wykonania osłony termometrycznej można użyć teflonu ; typowe są różne rodzaje stali nierdzewnej , a inne metale są używane do płynów procesowych o wysokiej korozyjności.

W przypadku wysokich temperatur i niewielkiej różnicy ciśnień można zastosować rurkę ochronną z nieosłoniętym elementem termopary. Są one często wykonane z tlenku glinu lub innego materiału ceramicznego , aby zapobiec atakowi chemicznemu platyny lub innych elementów termopary. Ceramiczna rurka ochronna może być włożona do ciężkiej zewnętrznej rury ochronnej wykonanej z węglika krzemu lub innego materiału, gdy wymagana jest zwiększona ochrona.

Siły przepływu

Osłony termometryczne są zwykle instalowane w systemach rurociągów i poddawane działaniu sił hydrostatycznych i aerodynamicznych . Zrzucanie wirów jest głównym problemem osłon termometrycznych w zastosowaniach z przepływem krzyżowym i jest w stanie wymusić rezonans osłony termometrycznej z możliwością uszkodzenia zmęczeniowego nie tylko osłony, ale także czujnika temperatury. Warunki rezonansu wywołanego przepływem zasadniczo regulują konstrukcję osłony termometrycznej, z wyjątkiem jej ciśnienia znamionowego i materiałów konstrukcyjnych. Ruch osłony termometrycznej wywołany przepływem zachodzi zarówno w linii z kierunkiem przepływu, jak i poprzecznie do niego, przy czym siły płynu działają w celu zgięcia osłony. W wielu zastosowaniach składowa poprzeczna sił płynu wynikających z zrywania wirów ma tendencję do regulowania początku rezonansu wywołanego przepływem, z częstotliwością wymuszania równą szybkości zrzucania wirów. W cieczach i cieczach ściśliwych pod wysokim ciśnieniem występuje również mniejszy, ale niemniej jednak znaczący składnik ruchu w kierunku przepływu, który występuje z prawie dwukrotnie wyższą szybkością uwalniania wiru. Stan rezonansu liniowego może regulować projekt osłony termometrycznej przy dużych prędkościach płynu, chociaż jego amplituda jest funkcją parametru tłumienia masy lub liczby Scrutona opisującej interakcję osłony termometrycznej z płynem.

Współczynniki siły aerodynamicznej oraz zależność szybkości zrzucania zależą od tzw. Końcówkowej liczby Reynoldsa. dla liczb Reynoldsa mniejszych niż 100000 (krytyczna liczba Reynoldsa) siły zrzucania są dobrze zachowane i prowadzą do okresowego wymuszania. W przypadku liczb Reynoldsa związanych z kryzysem dragowym (po raz pierwszy zgłoszonych przez Gustava Eiffla) 100 000 <Rd <1 000 000-3 000 000, siły zrzucania są losowane z odpowiednią redukcją wielkości. Losowe fluktuacje są scharakteryzowane przez ich widma Fouriera charakteryzowane przez szerokość pasma Strouhala i średnie kwadratowe wielkości współczynników sił aerodynamicznych w kierunkach podnoszenia i oporu.

W przypadku drążonych osłon termometrycznych z prętów najczęstszą postacią uszkodzenia jest zmęczenie zginające u podstawy, gdzie naprężenia zginające są największe. W ekstremalnych warunkach przepływu (ciecze o dużej prędkości lub gazy i opary o dużej prędkości, pod wysokim ciśnieniem) może wystąpić katastrofalne uszkodzenie z naprężeniami zginającymi przekraczającymi maksymalną wytrzymałość materiału. W przypadku bardzo długich osłon termometrycznych statyczna składowa naprężeń zginających może mieć wpływ na projekt. W mniej wymagających usługach awaria zmęczeniowa jest bardziej stopniowa i często poprzedzona serią awarii czujników. Te ostatnie wynikają z przyspieszenia końcówki osłony termometrycznej podczas jej drgań, co powoduje, że element podnosi się od dna osłony i rozpada się na kawałki. W przypadkach, w których mierzono naprężenia przyspieszające, przyspieszenia czujnika w warunkach rezonansowych często przekraczają 250 g i powodują zniszczenie akcelerometru .

Naturalne częstotliwości trybów zginania osłony termometrycznej zależą od wymiarów osłony termometrycznej, podatności (lub elastyczności) jej wspornika oraz, w mniejszym stopniu, od masy czujnika i dodanej masy płynu otaczającego osłonę.

ASME Wydajność kodu testowego PTC 19.3TW-2016 ( „19.3TW”) określa kryteria do projektowania i stosowania sztywno obsługiwanych osłon. Jednak te osłony termometryczne muszą być wytwarzane z prętów lub materiału kutego, jeśli spełnione są określone wymagania wymiarowe i tolerancje produkcyjne. Powłoki, tuleje, kołnierze prędkości i specjalne obrobione powierzchnie, takie jak spirale lub żebra, są wyraźnie poza zakresem normy 19.3TW.

Katastrofalna awaria osłony termometrycznej spowodowana zmęczeniem spowodowała wyciek sodu w 1995 r. I pożar w elektrowni jądrowej Monju w Japonii. Inne awarie są udokumentowane w opublikowanej literaturze.

Normalizacja

Standard ASME PTC 19.3 TW (2016) dla osłon termometrycznych jest szeroko stosowanym kodem dla osłon termometrycznych wykonanych z prętów i obejmuje te przyspawane do kołnierza lub w nim gwintowane, a także te przyspawane do zbiornika procesowego lub rury z lub bez adaptera spawalniczego, ale nie uwzględnia elastyczności ścianki rury ani owalizacji.

Zobacz też

Bibliografia

Odnośnie błędów pomiarowych i bardziej złożonych instalacji osłon termometrycznych:

  • Benedict, RP, Murdock, JW (1963) "Steady-State Thermal Analysis of a Thermowell", ASME J. Eng. Power, lipiec 1963, s. 235–244
  • Cessac, Kevin J. (2003) „Reducing Thermowell Conduction Errors in Gas Pipeline Temperature Measurement”, AIP Conference Proceedings 684, 1093 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1627275

Nowsze wzmianki dotyczą błędu pomiarowego wywołanego promieniowaniem, płomieni sadzy i bliskości źródeł ciepła.

Odnośnie konstrukcji osłony termometrycznej:

  • Kody testów wydajności ASME (2016), ASME PTC 19.3TW
  • Brock, James E. (1974) "Stress analysis of thermowells", Report NPS - 59B074112A, Naval Postgraduate School, Monterey California
  • Koves, William (2008) Pytanie zadane na posiedzeniu Komitetu PTC 19.3TW dotyczącym zgodności wsporników Brocka i grubości metalu
  • Porter, MA, Martens, DH (2002) "Badanie i analiza drgań osłony termometrycznej", ASME Press. Vessels and Piping 2002-1500, s. 171–176
  • Raport (2007) "Rozszerzenie i aktualizacja wytycznych dotyczących unikania zmęczenia rur procesowych wywołanego drganiami, Intrusive Element Assessment", Energy Inst. Raport AVIFF-2005-13, s. 1–25
  • Leissa, AW (1973) „Vibration of Shells”, NASA SP-288, str. 32–38
  • Karczub, DG (2006) "Wyrażenia do bezpośredniej oceny liczby falowej w badaniach drgań powłoki cylindrycznej z wykorzystaniem równań ruchu Flügge'a", J. Acoust. Soc. Jestem. 119 (6), s. 3553–3557. DOI: 10.1121 / 1.2193814
  • Bijlaard, PP (1955) "Naprężenia od lokalnych obciążeń w cylindrycznych powłokach", przeł. ASME, 77, strony 805–816
  • Sanders, JL, Simmonds, JG (1970) „Concentrated Forces on Shallow Cylindrical Shells”, ASME J. Applied Mech., 37, str. 367–373
  • Steel, CR, Steele, ML (1983), „Stress Analysis of Nozzles in Cylindrical Vessels With External Load”, ASME J. Press. Vessel Tech., 105, s. 191–200
  • Xue, Ming-De, Li, DF, Hwang, KC (2005) „A Thin Shell Theoretical Solution for Two Intersecting Cylindrical Shells With External Branch Pipe Moments”, ASME J. Press. Vessel Tech., 127 s. 357–368
  • Wais, EA, Rodabaugh, EC, Carter, R. (1999) "Stress Intensification Factors and Flexibility Factors for Unreinforced Branch Connections", ASME Proc. Naciśnij. Vessels and Piping, 383, s. 159–168
  • Xue, L., Widera, GEO, Seng, Z. (2006) „Flexibility Factors for Branch Connections Subject to In-plane and Out-of-plane momenty”, ASME J. Press. Vessel Tech., 128, s. 89 –94
  • Ming, RS, Pan, J., Norton, NP (1999) "Funkcje mobilności i ich zastosowanie w obliczaniu mocy", J. Acoust. Soc. Jestem. 105 (3), s. 1702–1713
  • Fegeant, O. (2001) "Closed form solutions for the point mobilities of axi-symmetrically excited cylindrical shells", J. of Sound and Vibration, 243 (1), s. 89–115
  • Motriuk, RW (1996) „Verification of Two Methods to Mitigate High Frequency Pipe Shell Vibration”, ASME Proc., Montreal, PVP-FIV 328, str. 405–413
  • Zhou, ZJ, Motriuk, RW (1996) „Influence of Tapered Thermowell Length on Temperature Measurement”, ASME Proc., Integrity of Structures, PVP-333, pp. 97–104
  • O'Donnell, WJ (1960) „Dodatkowe ugięcie wspornika z powodu elastyczności podpory”, ASME J. Applied Mech., 27 (3), s. 461–464
  • Brown, JM, Hall, AS (1962), „Bending deflection of a round wał kończący się w semi-infinite body”, ASME J. Applied Mech., 29 (1), str. 86–90
  • MacBain, JC, Genin, J. (1973) „Natural Frequencies of a Beam Consecting Support Characteristics”, J. Sound and Vibration, 27 (2), s. 197–206
  • Brock, JE (1974) „Stress analysis of thermowells”, Report NPS - 59B074112A, Naval Postgraduate School Report AD / A-001 617, Naval Postgraduate School, Monterey California
  • Weaver, W., Timoshenko, SP, Young, DH (1990) Vibration Problems in Engineering, 5th Ed., John Wiley & Sons, New York
  • Han, SM, Benaroya, H., Wei, T. (1999) „Dynamics of Transversely Vibrating Beams Using Four Engineering Theories”, Journal of Sound and Vibration, 225 (5), s. 935–988
  • Barthoff, LW (1981) „Thermowell Flow-Induced Vibrations Measured in Laboratory and FFTF Plant Piping”, ASME PVP Conference, DEN PVP-168, Denver Colorado
  • Ogura, K., Fuji, T. (1999) "Flow-induced Vibration test of thermowell in second cooling system of the prototype FBR", 7th Intl. Conf. on Nuclear Engineering, Tokyo Japan, ICONE 7380

Odnośnie opublikowanych raportów o błędach:

  • Heffner, RE, Gleave, SW, Norberg, JA (1962) "SPERT III Thermowell Failure and Replacement", Atomic Energy Corp. Raport z badań i rozwoju IDO-16741
  • Marten, WF (1973) „Thermowell Failure at Sodium Components Test Installation (SCTI)”, Atomic Energy Corp. Research and Development Report, LDO-TDR-73-4
  • Komunikacja prywatna (1984), sprawa pomiaru temperatury gazu odlotowego
  • Permana, Yhenda (1995) "Uszkodzenie osłony termicznej w wyniku zjawiska wydzielania wiru", Vibration Institute, Proc. Natl. 19, roczne. Spotkanie, s. 55–59
  • Eckert, B. (2010) „Centrifugal Compressor Case Study”, Gas Mach. Conf., GMC 2010
  • Podsumowanie raportu SIGTTO (2011) „Osłony termometryczne w liniach ciekłych nośników LNG”, Soc. Int'l Gas Tanker and Terminal Operators, kwiecień 2011
  • El Batahgry, AM, Fathy, G. (2013) „Fatigue failure of thermowells in feed gas gas downstream pipeline at a natural gas production plant”, Case Studies in Engineering Failure Analysis, 1, s. 79–84, DOI: 10.1016 / JOT. CSEFA 2013.04.001
  • Kawamura, T., Nakao, T., Hashi, M., Murayama, K., (2001), „Strouhal Number Effect on Synchronized Vibration of a Circular Cylinder in Cross Flow”, JSME Series B, 44 (4), str. , 729–737
  • Rice, SO (1944), „Mathematical Analysis of Random Noise”, Bell Sys. Tech. J., 23, s. 282–332
  • Bendat, JS, Piersol, AG (1971), Random Data: Analysis and Measurement, Wiley Interscience, NY
  • Blevins, RD, Burton, TE (1976), „Fluid Forces Induced by Vortex Shedding”, ASME J. Fluids Eng., Str. 19–24
  • Jacquot, RG (2000) „Random Vibration of Damped Modified Beam Systems”, J. Sound and Vibr., 234 (3), str. 441–454
  • Fung, YC, (1960), „Fluctuating Lift and Drag Acting on a Cylinder in a Flow at Supercritical Reynolds Numbers”, J. Aerospace Sci., 27 (11), s. 801–814
  • Roshko, A. (1961) „Experiments on the flow after a round cylinder at very high Reynolds number”, J. Fluid Mech., 10, pp. 345–356
  • Jones, GW (1968) „Aerodynamic Forces on Stationary and Oscillating Circular Cylinder at High Reynolds Numbers”, ASME Symposium on Unsteady Flow, Fluids Engineering Div., Str. 1–30
  • Jones, GW, Cincotta, JJ, Walker, RW (1969) „Aerodynamic Forces on stacjonarny i oscylujący okrągły cylinder przy wysokich liczbach Reynoldsa”, raport NASA TAR-300, str. 1–66
  • Achenbach, E. Heinecke, E. (1981) "On vortex shedding from smooth and rough cylinders in the range of Reynolds numbers 6x103 to 5x106", J. Fluid Mech. 109, s. 239–251
  • Schewe, G. (1983) „On the force fluctuations working on a round cylinder in crossflow from subcritical up to transcritical Reynolds numbers”, J. Fluid Mech., 133, pp. 265–285
  • Kawamura, T., Nakao, T., Takahashi, M., Hayashi, T., Murayama, K., Gotoh, N., (2003), „Synchronized Vibrations of a Circular Cylinder in Cross Flow at Supercritical Reynolds Numbers”, ASME J. Press. Vessel Tech., 125, s. 97–108, DOI: 10.1115 / 1.1526855
  • Zdravkovich, MM (1997), Flow Around Circular Cylinders, tom I, Oxford Univ. Naciśnij. Przedruk 2007, s. 188
  • Zdravkovich, MM (2003), Flow Around Circular Cylinders, Vol. II, Oxford Univ. Naciśnij. Przedruk 2009, s. 761
  • Bartran, D. (2015) „Wsparcie elastyczności i naturalnych częstotliwości osłon termometrycznych montowanych na rurze”, ASME J. Press. Vess. Tech., 137, s. 1–6, DOI: 10.1115 / 1.4028863 Nr artykułu: PVT-19-1012 https://doi.org/10.1115/1.4044602
  • Botterill, N. (2010) "Modelowanie interakcji struktury płynów kabli stosowanych w konstrukcjach inżynierskich", rozprawa doktorska ( http://eprints.nottingham.ac.uk/11657/ ), University of Nottingham
  • Bartran, D. (2018) „The Drag Crisis and ThermowellDesign”, ASME J. Press. Vess. and Piping, tom 140 / 044501-1. Numer artykułu: PVT-18-1002 https://doi.org/10.1115/1.4039882

Odnośnie testów przepływu w osłonie termometrycznej z pasami i bez:

  • Bartran, Dave (2019) „Modal Analysis of Flange Mounted Thermowells”, ASME J. Press. Vessel Tech. 141 (6): 064502, DOI: 10,1115 / 1.4044602.

Linki zewnętrzne