Металлический корпус, защищающий датчик температуры, погруженный в жидкость
Термокарман с фланцем 1,5" TC
Термокарманы представляют собой цилиндрические фитинги, используемые для защиты датчиков температуры , установленных для контроля промышленных процессов . Термокарман состоит из трубки, закрытой с одного конца и установленной на стенке трубопровода или сосуда , в котором течет интересующая жидкость . Датчик температуры, такой как термометр , термопара или резистивный датчик температуры , вставляется в открытый конец трубки, который обычно находится на открытом воздухе снаружи трубопровода или сосуда и любой теплоизоляции .
Термодинамически , технологическая жидкость передает тепло стенке термокармана, которая в свою очередь передает тепло датчику. Поскольку в сборке датчика и термокармана присутствует больше массы, чем в зонде, непосредственно погруженном в жидкость, реакция датчика на изменения температуры замедляется добавлением термокармана. Если датчик выходит из строя, его можно легко заменить, не осушая сосуд или трубопровод. Поскольку масса термокармана должна быть нагрета до температуры жидкости, а стенки термокармана отводят тепло из процесса, точность и скорость реагирования датчика снижаются при добавлении термокармана. [1]
Традиционно длина термогильзы основывалась на степени вставки относительно диаметра стенки трубы. Эта традиция неуместна, поскольку она может подвергнуть термогильзу риску вибрации, вызванной потоком, и усталостного разрушения . Когда расчеты погрешности измерения выполняются для установки, для изолированных трубопроводов или температур жидкости, близких к температуре окружающей среды, исключая эффекты теплового излучения , погрешность проводимости составляет менее одного процента, пока наконечник подвергается воздействию потока, даже в установках с фланцевым креплением. Аргументы в пользу более длинных конструкций основаны на традиционных представлениях, но редко оправданы. Длинные термогильзы могут использоваться в условиях низкой скорости или в случаях, когда исторический опыт оправдывает их использование. В современных высокопрочных трубопроводах и при повышенных скоростях жидкости каждая установка должна быть тщательно проверена, особенно в случаях, когда в процессе задействованы акустические резонансы .
Время отклика установленного датчика в значительной степени определяется скоростью жидкости и значительно больше времени отклика самого датчика. Это является результатом тепловой массы наконечника термокармана и коэффициента теплопередачи между термокарманом и жидкостью.
Типичная термогильза изготавливается из просверленного пруткового проката для обеспечения надлежащей посадки датчика (например, отверстие 0,260 дюйма, соответствующее датчику 0,250 дюйма). Термогильза обычно монтируется в технологический поток с помощью резьбового , сварного , санитарного колпачка или фланцевого технологического соединения. Датчик температуры вставляется в открытый конец термогильзы и обычно подпружинен , чтобы гарантировать, что внешний наконечник датчика температуры находится в металлическом контакте с внутренним наконечником термогильзы. Использование сварных секций для длинных конструкций не рекомендуется из-за риска коррозии и усталости.
Материалы и конструкция
Термокарман защищает прибор от давления, сил, вызванных потоком, и химического воздействия технологической жидкости. Обычно термокарман изготавливается из металлического прутка. Конец термокармана может иметь уменьшенный диаметр (как в случае с коническим или ступенчатым термокарманом) для повышения скорости отклика.
При высоких температурах и небольшом перепаде давления можно использовать защитную трубку с голым термопарным элементом. Они часто изготавливаются из оксида алюминия или другого керамического материала для предотвращения химического воздействия на платину или другие термопарные элементы. Керамическая защитная трубка может быть вставлена в тяжелую внешнюю защитную трубку, изготовленную из карбида кремния или другого материала, где требуется повышенная защита.
Силы потока
Термокарманы обычно устанавливаются в трубопроводных системах и подвергаются воздействию как гидростатических , так и аэродинамических сил. Образование вихрей является основной проблемой для термокарманов в приложениях с поперечным потоком и способно привести термокарман в резонанс с возможностью усталостного разрушения не только термокармана, но и датчика температуры. Условия для резонанса, вызванного потоком, обычно определяют конструкцию термокармана, помимо его номинального давления и материалов конструкции. Движение термокармана, вызванное потоком, происходит как в направлении потока, так и поперек него, при этом силы жидкости действуют на изгиб термокармана. Во многих приложениях поперечная составляющая сил жидкости, возникающих в результате образования вихрей, имеет тенденцию определять начало резонанса, вызванного потоком, с частотой воздействия, равной скорости образования вихрей. В жидкостях и сжимаемых жидкостях высокого давления также присутствует меньшая, но тем не менее значительная составляющая движения в направлении потока, которая происходит почти в два раза быстрее скорости образования вихрей. Условие линейного резонанса может определять конструкцию термокармана при высоких скоростях жидкости, хотя его амплитуда является функцией параметра затухания массы или числа Скрутона, описывающего взаимодействие термокармана и жидкости.
Коэффициенты аэродинамической силы и зависимость скорости срыва зависят от так называемого числа Рейнольдса на конце. Для чисел Рейнольдса менее 100000 (критическое число Рейнольдса) силы срыва ведут себя хорошо и приводят к периодическому воздействию. Для чисел Рейнольдса, связанных с кризисом сопротивления (впервые сообщенных Густавом Эйфелем) 100 000 < Rd < 1 000 000-3 000 000, силы срыва рандомизированы с соответствующим уменьшением величины. Случайные колебания характеризуются их спектрами Фурье, которые характеризуются его шириной полосы Струхаля и среднеквадратичными величинами коэффициентов аэродинамической силы в направлениях подъемной силы и сопротивления.
Для просверленных прутковых термогильз наиболее распространенной формой отказа является усталость при изгибе в ее основании, где изгибающие напряжения наибольшие. В экстремальных условиях потока (жидкости с высокой скоростью или газы и пары с высокой скоростью и высоким давлением) может произойти катастрофическое разрушение с изгибающими напряжениями, превышающими предел прочности материала. Для чрезвычайно длинных термогильз статическая составляющая изгибающих напряжений может определять конструкцию. В менее требовательных условиях усталостное разрушение происходит более постепенно и часто предшествует серии отказов датчика. Последние происходят из-за ускорения кончика термогильзы при его вибрации, это движение заставляет элемент отрываться от дна термогильзы и разбиваться на куски. В случаях, когда были измерены напряжения ускорения, ускорения датчика в резонансных условиях часто превышают 250 g и разрушают акселерометр .
Собственные частоты изгибных мод термокармана зависят от размеров термокармана, податливости (или гибкости) его опоры и, в меньшей степени, от массы датчика и добавленной массы жидкости, окружающей термокарман.
Код испытаний производительности ASME PTC 19.3TW-2016 («19.3TW») определяет критерии для проектирования и применения жестко поддерживаемых термокарманов. Однако эти термокарманы должны быть изготовлены из пруткового или кованого материала, где соблюдены определенные размерные требования и производственные допуски. Покрытия, втулки, скоростные воротники и специальные обработанные поверхности, такие как спирали или ребра, явно выходят за рамки стандарта 19.3TW. [2]
Катастрофический отказ термокармана из-за усталости стал причиной утечки натрия и пожара на АЭС Мондзю в Японии в 1995 году. Другие отказы задокументированы в опубликованной литературе.
Стандартизация
Стандарт термогильз ASME PTC 19.3 TW (2016) — это широко используемый стандарт для термогильз, изготавливаемых из прутковой заготовки, и включает в себя те, которые привариваются или ввинчиваются в фланец, а также те, которые привариваются к технологическому сосуду или трубе с помощью сварного адаптера или без него, но не учитывает гибкость стенки трубы или овализацию.
^ Томас В. Керлин и Митчелл П. Джонсон (2012). Практическая термопарная термометрия (2-е изд.). Research Triangle Park: ISA. стр. 79–85. ISBN 978-1-937560-27-0.
^ Джонсон, Митчелл П. и Гилсон, Аллан Г. (август 2012 г.). «Соответствуют ли ваши термокарманы стандарту ASME?». Управление потоком . XVIII (8).
Относительно погрешности измерения и более сложных установок термокарманов:
Бенедикт, Р. П., Мердок, Дж. В. (1963) «Термический анализ термокармана в стационарном состоянии», ASME J. Eng. Power, июль 1963 г., стр. 235–244
Сессак, Кевин Дж. (2003) «Снижение ошибок проводимости термокармана при измерении температуры газопровода», Труды конференции AIP 684, 1093 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1627275
Более поздние упоминания включают погрешность измерения, вызванную излучением, коптящим пламенем и близостью источников тепла.
Относительно конструкции термокармана:
Коды испытаний производительности ASME (2016), ASME PTC 19.3TW
Брок, Джеймс Э., (1974) «Анализ напряжений в термокарманах», Отчет NPS – 59B074112A, Военно-морская аспирантура, Монтерей, Калифорния
Ковес, Уильям (2008) Вопрос, поднятый на заседании комитета PTC 19.3TW, касающийся соответствия опор Брока и толщины металла
Портер, МА, Мартенс, ДХ (2002) «Исследование и анализ вибрации термокармана», ASME Press. Сосуды и трубопроводы 2002-1500, стр. 171–176
Отчет (2007) «Расширение и обновление руководящих принципов по предотвращению усталости технологических трубопроводов, вызванной вибрацией, оценка интрузивных элементов», Отчет Энергетического института AVIFF-2005-13, стр. 1–25
Лейсса, AW (1973) «Вибрация оболочек», NASA SP-288, стр. 32–38
Карчуб, Д.Г. (2006) «Выражения для прямой оценки волнового числа в исследованиях колебаний цилиндрической оболочки с использованием уравнений движения Флюгге», J. Acoust. Soc. Am. 119(6), стр. 3553–3557. DOI:10.1121/1.2193814
Bijlaard, PP (1955) «Напряжения от локальных нагрузок в цилиндрических оболочках», Trans. ASME, 77, стр. 805-816
Сандерс, Дж. Л., Симмондс, Дж. Г. (1970) «Сосредоточенные силы на пологих цилиндрических оболочках», ASME J. Applied Mech., 37, стр. 367–373
Стил, CR, Стил, ML (1983) «Анализ напряжений штуцеров в цилиндрических сосудах с внешней нагрузкой», ASME J. Press. Vessel Tech., 105, стр. 191–200
Xue, Ming-De, Li, DF, Hwang, KC (2005) «Теоретическое решение для тонкой оболочки двух пересекающихся цилиндрических оболочек из-за моментов внешних патрубков», ASME J. Press. Vessel Tech., 127 стр. 357–368
Wais, EA, Rodabaugh, EC, Carter, R. (1999) «Факторы усиления напряжений и факторы гибкости для неармированных ответвлений», ASME Proc. Press. Сосуды и трубопроводы, 383, стр. 159–168
Сюэ, Л., Видера, ДЖЕО, Сэн, З. (2006) «Коэффициенты гибкости для ответвительных соединений, подверженных моментам в плоскости и вне плоскости», ASME J. Press. Vessel Tech., 128, стр. 89–94
Минг, Р. С., Пан, Дж., Нортон, Н. П. (1999) «Функции мобильности и их применение в вычислении мощности», J. Acoust. Soc. Am. 105(3), стр. 1702–1713
Феджент, О. (2001) «Замкнутые решения для точечных подвижностей осесимметрично возбужденных цилиндрических оболочек», Журнал звука и вибрации, 243(1), стр. 89–115
Мотриук, Р.В. (1996) «Проверка двух методов смягчения высокочастотной вибрации оболочки трубы», ASME Proc., Монреаль, PVP-FIV 328, стр. 405–413
Чжоу, З.Дж., Мотриук, Р.В. (1996) «Влияние длины конической термогильзы на измерение температуры», ASME Proc., Целостность конструкций, PVP-333, стр. 97–104
О'Доннелл, У.Дж. (1960) «Дополнительный прогиб консоли из-за упругости опоры», ASME J. Applied Mech., 27(3), стр. 461–464
Браун, Дж. М., Холл, А. С. (1962) «Изгиб круглого вала, заканчивающегося полубесконечным телом», ASME J. Applied Mech., 29(1), стр. 86–90
MacBain, JC, Genin, J. (1973) «Собственные частоты балки с учетом характеристик опоры», J. Sound and Vibration, 27 (2), стр. 197–206
Брок, Дж. Э. (1974) «Анализ напряжений в термокарманах», Отчет NPS – 59B074112A, Отчет Военно-морской аспирантуры AD/A-001 617, Военно-морская аспирантура, Монтерей, Калифорния
Уивер, В., Тимошенко, С.П., Янг, Д.Х. (1990) Проблемы вибрации в машиностроении, 5-е изд., John Wiley & Sons, Нью-Йорк
Хан, SM, Бенаройя, H., Вэй, T. (1999) «Динамика поперечно колеблющихся балок с использованием четырех инженерных теорий», Журнал звука и вибрации, 225(5), стр. 935–988
Бартофф, Л. В. (1981) «Вибрации, вызванные потоком в термокармане, измеренные в лабораторных и заводских трубопроводах FFTF», Конференция ASME PVP, DEN PVP-168, Денвер, Колорадо
Огура, К., Фудзи, Т. (1999) «Испытание термокармана на вибрацию, вызванную потоком, во вторичной системе охлаждения прототипа FBR», 7-я Международная конференция по ядерной инженерии, Токио, Япония, ICONE 7380
Относительно опубликованных отчетов об отказах:
Хеффнер, Р. Э., Глив, С. В., Норберг, Дж. А. (1962) «Отказ термокармана SPERT III и его замена», Отчет по исследованиям и разработкам IDO-16741 корпорации по атомной энергии
Мартен, У. Ф. (1973) «Отказ термокармана на испытательной установке для натриевых компонентов (SCTI)», Отчет по исследованиям и разработкам корпорации по атомной энергии, LDO-TDR-73-4
Частное сообщение (1984), Дело об измерении температуры отходящих газов
Пермана, Йенда (1995) «Отказ термокармана в результате явления вихреобразования», Институт вибрации, Труды 19-го ежегодного заседания, стр. 55–59
Экерт, Б. (2010) «Исследование случая центробежного компрессора», Gas Mach. Conf., GMC 2010
Резюме отчета SIGTTO (2011) «Термопары в трубопроводах для транспортировки сжиженного природного газа», Общество международных операторов газовых танкеров и терминалов, апрель 2011 г.
El Batahgry, AM, Fathy, G. (2013) «Усталостное разрушение термокарманов в трубопроводе подачи исходного газа на заводе по добыче природного газа», Практические примеры в анализе инженерных отказов, 1, стр. 79–84, DOI: 10.1016/J. CSEFA 2013.04.001
Кавамура, Т., Накао, Т., Хаши, М., Мураяма, К., (2001), «Влияние числа Струхаля на синхронизированную вибрацию круглого цилиндра в поперечном потоке», JSME Series B, 44(4), стр. 729–737
Райс, С.О. (1944), «Математический анализ случайного шума», Bell Sys. Tech. J., 23, стр. 282–332
Бендат, Дж. С., Пирсол, А. Г., (1971) Случайные данные: анализ и измерение, Wiley Interscience, Нью-Йорк
Блевинс, Р.Д., Бертон, Т.Е. (1976), «Силы жидкости, вызванные вихреобразованием», ASME J. Fluids Eng., стр. 19–24
Жако, Р.Г. (2000) «Случайная вибрация затухающих модифицированных балочных систем», J. Sound and Vibr., 234(3), стр. 441–454
Фунг, YC, (1960), «Плавающая подъемная сила и сопротивление, действующие на цилиндр в потоке при сверхкритических числах Рейнольдса», J. Aerospace Sci., 27 (11), стр. 801–814
Рошко, А. (1961) «Эксперименты по обтеканию кругового цилиндра при очень больших числах Рейнольдса», J. Fluid Mech., 10, стр. 345–356
Джонс, Г. В. (1968) «Аэродинамические силы, действующие на неподвижный и колеблющийся круговой цилиндр при высоких числах Рейнольдса», Симпозиум ASME по нестационарному потоку, Fluids Engineering Div., стр. 1–30
Джонс, Г. В., Синкотта, Дж. Дж., Уокер, Р. В. (1969) «Аэродинамические силы, действующие на неподвижный и колеблющийся круговой цилиндр при высоких числах Рейнольдса», Отчет НАСА TAR-300, стр. 1–66
Ахенбах, Э. Хайнеке, Э. (1981) «О вихреобразовании из гладких и шероховатых цилиндров в диапазоне чисел Рейнольдса от 6x103 до 5x106», J. Fluid Mech. 109, стр. 239–251
Шеве, Г. (1983) «О флуктуациях силы, действующей на круговой цилиндр в поперечном потоке от докритических до транскритических чисел Рейнольдса», J. Fluid Mech., 133, стр. 265–285
Кавамура, Т., Накао, Т., Такахаши, М., Хаяши, Т., Мураяма, К., Гото, Н., (2003), «Синхронизированные колебания кругового цилиндра в поперечном потоке при сверхкритических числах Рейнольдса», ASME J. Press. Vessel Tech., 125, стр. 97–108, DOI:10.1115/1.1526855
Здравкович, ММ (1997), Обтекание круговых цилиндров, т. I, Oxford Univ. Press. Переиздание 2007, стр. 188
Здравкович, ММ (2003), Обтекание круговых цилиндров, т. II, Oxford Univ. Press. Переиздание 2009, стр. 761
Бартран, Д. (2015) «Гибкость опоры и собственные частоты термогильз, монтируемых на трубах», ASME J. Press. Vess. Tech., 137, стр. 1–6, DOI:10.1115/1.4028863 Номер статьи: PVT-19-1012 https://doi.org/10.1115/1.4044602
Боттерилл, Н. (2010) «Моделирование взаимодействия жидкости и конструкции кабелей, используемых в гражданских инженерных сооружениях», докторская диссертация (http://eprints.nottingham.ac.uk/11657/), Ноттингемский университет
Бартран, Д. (2018) «Кризис сопротивления и проектирование термокармана», ASME J. Press. Vess. and Piping, т. 140/044501-1. Номер статьи: PVT-18-1002 https://doi.org/10.1115/1.4039882
Относительно испытаний потока термокармана с поясками и без них:
Бартран, Дэйв (2019) «Модальный анализ термокарманов с фланцевым креплением», ASME J. Press. Vessel Tech. 141(6): 064502, DOI: 10.1115/1.4044602.
Внешние ссылки
Измерение температуры комитета PTC 19.3
Термокарманы для датчиков температуры и измерения температуры - предоставлено и отмечено вкладом Рэймонда Пикока в измерение температуры
