Thermowell - Thermowell

Thermowells är cylindriska beslag som används för att skydda temperatursensorer installerade i industriella processer. En termowell består av ett rör som är stängt i ena änden och monterat i processströmmen. En temperatursensor som en termometer , termoelement eller motståndstemperaturdetektorinförs i den öppna änden av röret, som vanligtvis är i friluft utanför processröret eller kärlet och eventuell värmeisolering. Termodynamiskt överför processvätskan värme till termowellväggen, som i sin tur överför värme till sensorn. Eftersom mer massa är närvarande med en sensorbrunnsenhet än med en sond direkt nedsänkt i processen, saktas sensorns svar på processtemperaturförändringar genom tillsats av brunnen. Om sensorn misslyckas kan den enkelt bytas ut utan att kärlet eller rörledningen töms. Eftersom värmebrunnens massa måste upphettas till procestemperaturen och eftersom väggarna i termoväggen leder värme ut ur processen, reduceras sensorns noggrannhet och respons genom tillsats av en termovägg.

Traditionellt har värmebrunnens längd baserats på införingsgraden relativt rörväggens diameter. Denna tradition är felplacerad eftersom den kan utsätta värmebrunnen för risken för flödesinducerad vibration och utmattningsfel. När mätfelberäkningar utförs för installationen, för isolerade rörledningar eller nära omgivande vätsketemperaturer, exklusive värmestrålningseffekter, är ledningsfelet mindre än en procent så länge spetsen utsätts för flöde, även i flänsmonterade installationer.

Svarstiden för den installerade sensorn styrs till stor del av vätskehastigheten och betydligt längre än själva sensortiden. Detta är resultatet av termoelementets termiska massa och värmeöverföringskoefficienten mellan termowell och vätskan.

Argument för längre mönster bygger på traditionella begrepp men är sällan motiverade. Långa termowells kan användas i tjänster med låg hastighet eller i fall där historisk erfarenhet motiverade deras användning. I moderna höghållfasta rörledningar och förhöjda vätskehastigheter måste varje installation noggrant undersökas, särskilt i fall där akustiska resonanser i processen är inblandade.

En representativ termolåda bearbetas från borrad stång för att säkerställa en korrekt sensorpassning (t.ex. en 0,260-tums hål som matchar en 0,250-tums sensor). En termowell monteras typiskt i processströmmen genom en gängad, svetsad, sanitär kåpa eller flänsad processanslutning. Temperatursensorn såsom en termometer , ett termoelement eller en motståndstemperaturdetektor sätts in i den öppna änden av termoelementet och typiskt fjäderbelastad för att säkerställa att den yttre spetsen på temperaturgivaren är i metall-till-metall-kontakt med insidan av termowell. Användningen av svetsade sektioner för långa konstruktioner avskräckas på grund av korrosions- och utmattningsrisker.

Material och konstruktion

Thermowell skyddar instrumentet från tryck, flödesinducerade krafter och kemiska effekter av processvätskan. Vanligtvis är en termowell gjord av metallstångmaterial. Slutet på termoelementet kan ha en reducerad diameter (som är fallet med en avsmalnande eller stegad skaft) för att förbättra svarets hastighet.

För låga tryck och temperaturer kan Teflon användas för att tillverka en värmebrunn; olika typer av rostfritt stål är typiska, medan andra metaller används för mycket frätande processvätskor.

När temperaturen är hög och tryckskillnaden är liten kan ett skyddsrör användas med ett fritt termoelementelement. Dessa är ofta tillverkade av aluminiumoxid eller annat keramiskt material för att förhindra kemisk attack av platina eller andra termoelement. Det keramiska skyddsröret kan införas i ett tungt yttre skyddsrör tillverkat av kiselkarbid eller annat material där ökat skydd krävs.

Flödeskrafter

Thermowells installeras vanligtvis i rörsystem och utsätts för både hydrostatiska och aerodynamiska krafter. Vortexutgjutning är det dominerande problemet för värmebrunnar i tvärflödesapplikationer och kan tvinga värmebrunnen till resonans med risken för utmattningsfel, inte bara hos termoväggen utan även på temperaturgivaren. Förhållandena för flödesinducerad resonans styr i allmänhet designen av termoelementet bortsett från dess tryckvärde och konstruktionsmaterial. Flödesinducerad rörelse av termoelementet sker både i linje med och tvärs flödesriktningen med vätskekrafterna som verkar för att böja termoelementet. I många applikationer tenderar den tvärgående komponenten av vätskekrafterna som härrör från virvelavstängning att reglera uppkomsten av flödesinducerad resonans, med en tvingande frekvens som är lika med virvelavstötningshastigheten. I vätskor och i högtryckskomprimerbara vätskor finns också en mindre men ändå signifikant rörelsekomponent i flödesriktningen och förekommer med nästan dubbelt så mycket som virvelhastigheten. Det inbyggda resonansförhållandet kan styra värmebrunnens design vid höga vätskehastigheter även om dess amplitud är en funktion av massdämpningsparametern eller Scruton-talet som beskriver termowell-fluid-interaktionen.

De aerodynamiska kraftkoefficienterna och beroendet av utsläppshastigheten beror på det så kallade tip Reynolds-talet. för Reynolds-siffror mindre än 100000 (det kritiska Reynolds-numret) är kraftskapen väluppfostrade och leder till periodisk tvingning. För Reynolds-siffror associerade med dragkrisen (först rapporterad av Gustav Eiffel) 100.000 <Rd <1.000.000-3.000.000, släpps krafterna randomiseras med en motsvarande minskning av storleken. De slumpmässiga fluktuationerna kännetecknas av sin Fourier Spectra som kännetecknas av dess Strouhal-bandbredd och rotens medelkvadratstorlek för de aerodynamiska kraftkoefficienterna i lyft- och dragriktningen.

För borrade barrlager är den vanligaste formen av fel böjningsutmattning vid basen där böjspänningarna är störst. Under extrema flödesförhållanden (vätskor med hög hastighet eller hög hastighet, högtrycksgaser och ångor) kan katastrofalt fel uppstå med böjspänningar som överstiger materialets slutliga hållfasthet. För extremt långa termoelement kan den statiska komponenten i böjspänningarna styra designen. I mindre krävande tjänster är trötthetsfel mer gradvis och föregås ofta av seriens fel. Det senare beror på att termowellspetsen accelererar när den vibrerar, denna rörelse får elementet att lyfta av termowellens botten och smälta i bitar. I fall där accelerationsspänningarna har mätts, överstiger sensoracceleration vid resonansförhållanden ofta 250 g och förstör accelerometern .

De naturliga frekvenserna för termowell-böjningslägen är beroende av termowellens dimensioner, överensstämmelsen (eller flexibiliteten) för dess stöd och i mindre utsträckning beroende av massan av sensorn och den extra massan av vätskan som omger termowell.

Den ASME Performance Test Code PTC 19.3TW-2016 ( "19.3TW") definierar kriterier för utformning och tillämpning av thermo fast stöd. Dessa värmebrunnar måste dock tillverkas av stångmaterial eller smidda material där vissa dimensionskrav och tillverkningstoleranser är uppfyllda. Beläggningar, hylsor, hastighetskrage och specialbearbetade ytor såsom spiraler eller fenor ligger uttryckligen utanför ramen för 19.3TW-standarden.

Katastrofalt misslyckande av en termowell på grund av trötthet orsakade natriumläckage 1995 och brand vid kärnkraftverket Monju i Japan. Andra fel dokumenteras i den publicerade litteraturen.

Standardisering

ASME PTC 19.3 TW (2016) Thermowells Standard är en allmänt använd kod för termowells som bearbetas från stångmaterial och innehåller de som är svetsade till eller gängade i en fläns samt de som svetsas i ett processkärl eller rör med eller utan en svetsadapter, men tar inte hänsyn till rörväggens flexibilitet eller ovalisering.

Se även

Referenser

När det gäller mätfel och mer komplexa termowellinstallationer:

  • Benedict, RP, Murdock, JW (1963) "Steady-State Thermal Analysis of a Thermowell", ASME J. Eng. Makt, juli 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

Nyare referenser involverar strålningsinducerat mätfel, lugnande lågor och närheten av värmekällor.

Beträffande termowell design:

  • ASME Performance Test Codes (2016), ASME PTC 19.3TW
  • Brock, James E., (1974) "Stressanalys av termowells", Rapport NPS - 59B074112A, Naval Postgraduate School, Monterey Kalifornien
  • Koves, William (2008) Frågan som ställdes vid PTC 19.3TW-kommitténs möte som handlade om Brocks överensstämmelse och metalltjocklek
  • Porter, MA, Martens, DH (2002) "Undersökning och analys av vibrationsvibrationer", ASME Press. Fartyg och rörledning 2002-1500, s. 171–176
  • Rapport (2007) "Utvidgning och uppdatering av riktlinjerna för att undvika vibrationsinducerad utmattning av processrör, Intrusive Element Assessment", Energy Inst. Rapport AVIFF-2005-13, s. 1–25
  • Leissa, AW (1973) "Vibration of Shells", NASA SP-288, s. 32–38
  • Karczub, DG (2006) "Uttryck för direkt utvärdering av vågnummer i cylindriska skalvibrationsstudier med Flügge-rörelseekvationer", J. Acoust. Soc. Am. 119 (6), s. 3553–3557. DOI: 10.1121 / 1.2193814
  • Bijlaard, PP (1955) "Spänningar från lokala belastningar i cylindriska skal", Trans. ASME, 77, sid 805-816
  • Sanders, JL, Simmonds, JG (1970) "Concentrated Forces on Shallow Cylindrical Shells", ASME J. Applied Mech., 37, s. 367–373
  • Steel, CR, Steele, ML (1983) "Stressanalys av munstycken i cylindriska fartyg med extern belastning", ASME J. Press. Vessel Tech., 105, s. 191–200
  • Xue, Ming-De, Li, DF, Hwang, KC (2005) "En tunn skalteoretisk lösning för två skärande cylindriska skal på grund av externa grenrörsmoment", ASME J. Press. Vessel Tech., 127 s. 357–368
  • Wais, EA, Rodabaugh, EC, Carter, R. (1999) "Stressintensifieringsfaktorer och flexibilitetsfaktorer för oförstärkta grenanslutningar", ASME Proc. Tryck. Fartyg och rörledning, 383, s. 159–168
  • Xue, L., Widera, GEO, Seng, Z. (2006) "Flexibilitetsfaktorer för grenanslutningar med förbehåll för ögonblick i plan och utanför planet," ASME J. Press. Vessel Tech., 128, s. 89 –94
  • Ming, RS, Pan, J., Norton, NP (1999) "Mobilitetsfunktionerna och deras tillämpning vid beräkning av effekt", J. Acoust. Soc. Am. 105 (3), s. 1702–1713
  • Fegeant, O. (2001) "Closed form solutions for the point mobiles of axi-symmetrically exciled cylindrical shell", 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, s. 405–413
  • Zhou, ZJ, Motriuk, RW (1996) "Inflytande av avsmalnande värmelängd på temperaturmätning", ASME Proc., Integrity of Structures, PVP-333, s. 97–104
  • O'Donnell, WJ (1960) "Den extra avböjningen av en cantilever på grund av stödets elasticitet", ASME J. Applied Mech., 27 (3), s. 461–464
  • Brown, JM, Hall, AS (1962) "Böjningsavböjning av en cirkulär axel som slutar i en halv-oändlig kropp", ASME J. Applied Mech., 29 (1), s. 86–90
  • MacBain, JC, Genin, J. (1973) "Natural Frequences of a Beam Considering Support Characteristics", J. Sound and Vibration, 27 (2), s. 197–206
  • Brock, JE (1974) "Stressanalys av termowells", Rapport NPS - 59B074112A, Naval Postgraduate School Report AD / A-001 617, Naval Postgraduate School, Monterey Kalifornien
  • 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 secondary cooling system of the prototype FBR", 7th Intl. Konf. om kärnteknik, Tokyo Japan, ICONE 7380

När det gäller publicerade felrapporter:

  • Heffner, RE, Gleave, SW, Norberg, JA (1962) "SPERT III Thermowell Failure and Replacement", Atomic Energy Corp. Forsknings- och utvecklingsrapport IDO-16741
  • Marten, WF (1973) "Thermowell Failure at Sodium Components Test Installation (SCTI)", Atomic Energy Corp. Research and Development Report, LDO-TDR-73-4
  • Privat kommunikation (1984), Mätfall för avgastemperatur
  • Permana, Yhenda (1995) "Thermowell fail as a result of vortex shedding phenomena", Vibration Institute, Proc. 19: e, årliga. Möte, s. 55–59
  • Eckert, B. (2010) "Fallstudie för centrifugalkompressor", Gas Mach. Konf., GMC 2010
  • Sammanfattning av SIGTTO-rapporten (2011) "Thermowells in LNG Liquid Carrier Lines", Soc. Int'l Gas Tanker and Terminal Operators, april 2011
  • El Batahgry, AM, Fathy, G. (2013) "Trötthetsfel hos värmekällor i matning av gasförsörjning nedströms rörledning vid en naturgasproduktionsanläggning", Fallstudier inom teknisk misslyckande analys, 1, sid. 79–84, DOI: 10.1016 / J. 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), pp 729–737
  • Rice, SO (1944), "Matematisk analys av slumpmässigt buller", Bell Sys. Teknik. J., 23, s. 282–332
  • Bendat, JS, Piersol, AG, (1971) Slumpmässiga data: analys och mätning, Wiley Interscience, NY
  • Blevins, RD, Burton, TE (1976), "Fluid Forces Induced by Vortex Shedding", ASME J. Fluids Eng., S. 19–24
  • Jacquot, RG (2000) "Random Vibration of Damped Modified Beam Systems", J. Sound and Vibr., 234 (3), s. 441–454
  • Fung, YC, (1960), "Fluktuating 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) "Experiment på flödet förbi en cirkulär cylinder vid mycket högt Reynolds-nummer", J. Fluid Mech., 10, s. 345–356
  • Jones, GW (1968) "Aerodynamic Forces on Stationary and Oscillerating Circular Cylinder at High Reynolds Numbers", ASME Symposium on Unsteady Flow, Fluids Engineering Div., S. 1–30
  • Jones, GW, Cincotta, JJ, Walker, RW (1969) "Aerodynamiska krafter på stillastående och oscillerande cirkulärcylinder vid höga Reynolds-nummer", NASA-rapport TAR-300, s. 1–66
  • Achenbach, E. Heinecke, E. (1981) "På virvelkasta från släta och grova cylindrar i intervallet Reynolds nummer 6x103 till 5x106", J. Fluid Mech. 109, s. 239–251
  • Schewe, G. (1983) "Om kraftfluktuationerna som verkar på en cirkulär cylinder i tvärflöde från subkritiskt upp till transkritiskt Reynolds-nummer", J. Fluid Mech., 133, sid. 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, Vol.I, Oxford Univ. Tryck. Omtryck 2007, s. 188
  • Zdravkovich, MM (2003), Flow Around Circular Cylinders, Vol. II, Oxford Univ. Tryck. Omtryck 2009, s. 761
  • Bartran, D. (2015) "Support Flexibility and Natural Frequences of Pipe Mounted Thermowells", ASME J. Press. Vess. Tech., 137, s. 1–6, DOI: 10.1115 / 1.4028863 Paper No: PVT-19-1012 https://doi.org/10.1115/1.4044602
  • Botterill, N. (2010) "Fluid Structure Interaction Modeling of Kables Used in Civil Engineering Structures", doktorsavhandling ( http://eprints.nottingham.ac.uk/11657/ ), University of Nottingham
  • Bartran, D. (2018) "The Drag Crisis and ThermowellDesign", ASME J. Press. Vess. and Piping, Vol.140 / 044501-1. Pappersnummer: PVT-18-1002 https://doi.org/10.1115/1.4039882

Beträffande termowell-flöde med och utan streck:

  • Bartran, Dave (2019) “Modal Analysis of Flange Mounted Thermowells”, ASME J. Press. Vessel Tech. 141 (6): 064502, DOI: 10.1115 / 1.4044602.

externa länkar