ثيرموويل

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Thermowell" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( مارس 2012 ) ( تعرف على كيفية ووقت إزالة هذه الرسالة )

تُعتبر أنابيب الحرارة تركيبات أسطوانية تُستخدم لحماية أجهزة استشعار درجة الحرارة المثبتة لمراقبة العمليات الصناعية . تتكون أنابيب الحرارة من أنبوب مغلق من أحد طرفيه ومثبت على جدار الأنابيب أو الوعاء الذي يتدفق داخله السائل المطلوب . يتم إدخال مستشعر درجة الحرارة، مثل مقياس الحرارة أو ترموكبل أو كاشف درجة الحرارة المقاومة ، في الطرف المفتوح للأنبوب، والذي يكون عادةً في الهواء الطلق خارج الأنابيب أو الوعاء وأي عزل حراري .

ترموديناميكيًا ، ينقل سائل العملية الحرارة إلى جدار البئر الحراري، والذي ينقل الحرارة بدوره إلى المستشعر. نظرًا لوجود كتلة أكبر مع مجموعة البئر الحراري مقارنة بالمسبار المغمور مباشرة في السائل، فإن استجابة المستشعر للتغيرات في درجة الحرارة تتباطأ بإضافة البئر. إذا فشل المستشعر، فيمكن استبداله بسهولة دون تصريف الوعاء أو الأنابيب. نظرًا لأنه يجب تسخين كتلة البئر الحراري إلى درجة حرارة السائل، ونظرًا لأن جدران البئر الحراري تنقل الحرارة خارج العملية، فإن دقة المستشعر واستجابته تقل بإضافة البئر الحراري. ^[1]

تقليديًا، كان طول البئر الحراري يعتمد على درجة الإدخال بالنسبة لقطر جدار الأنبوب. هذا التقليد غير مناسب لأنه يمكن أن يعرض البئر الحراري لخطر الاهتزاز الناجم عن التدفق وفشل التعب . عندما يتم إجراء حسابات خطأ القياس للتركيب، للأنابيب المعزولة أو درجات حرارة السوائل القريبة من المحيط، باستثناء تأثيرات الإشعاع الحراري ، يكون خطأ التوصيل أقل من واحد بالمائة طالما تعرض الطرف للتدفق، حتى في التركيبات المثبتة بحواف . تستند الحجج لصالح التصميمات الأطول إلى المفاهيم التقليدية ولكنها نادرًا ما تكون مبررة. يمكن استخدام البئر الحراري الطويل في الخدمات ذات السرعة المنخفضة أو في الحالات التي تبرر فيها الخبرة التاريخية استخدامها. في الأنابيب الحديثة عالية القوة وسرعات السوائل المرتفعة، يجب فحص كل تركيب بعناية خاصة في الحالات التي تنطوي على رنينات صوتية في العملية.

يتم التحكم في وقت استجابة المستشعر المثبت إلى حد كبير بسرعة السائل وهو أكبر بكثير من وقت استجابة المستشعر نفسه. وهذا نتيجة للكتلة الحرارية لطرف البئر الحراري ومعامل انتقال الحرارة بين البئر الحراري والسائل.

يتم تصنيع أنبوب حراري تمثيلي من قضبان مثقوبة لضمان ملاءمة المستشعر بشكل صحيح (على سبيل المثال: فتحة 0.260 بوصة مطابقة لمستشعر 0.250 بوصة). يتم تثبيت أنبوب حراري عادة في مجرى العملية عن طريق غطاء ملولب أو ملحوم أو صحي أو اتصال عملية ذو حواف. يتم إدخال مستشعر درجة الحرارة في الطرف المفتوح من أنبوب حراري وعادة ما يتم تحميله بنابض لضمان أن يكون الطرف الخارجي لمستشعر درجة الحرارة على اتصال معدني بالطرف الداخلي من أنبوب حراري. لا ينصح باستخدام المقاطع الملحومة للتصميمات الطويلة بسبب مخاطر التآكل والتعب.

تحمي البئر الحرارية الجهاز من الضغط والقوى الناجمة عن التدفق والتأثيرات الكيميائية لسائل العملية. وعادة ما تكون البئر الحرارية مصنوعة من قضيب معدني. وقد تكون نهاية البئر الحرارية ذات قطر مخفض (كما هو الحال مع البئر الحرارية المدببة أو ذات الساق المتدرجة) لتحسين سرعة الاستجابة.

بالنسبة للضغوط ودرجات الحرارة المنخفضة، يمكن استخدام التفلون لصنع بئر حراري؛ ومن المعتاد استخدام أنواع مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، مع استخدام معادن أخرى في سوائل المعالجة شديدة التآكل.

عندما تكون درجات الحرارة مرتفعة ويكون فرق الضغط صغيرًا، يمكن استخدام أنبوب حماية مع عنصر ترموكبل عارٍ. غالبًا ما تكون مصنوعة من الألومينا أو مادة سيراميكية أخرى لمنع الهجوم الكيميائي للبلاتين أو عناصر ترموكبل أخرى. يمكن إدخال أنبوب الحماية السيراميكي في أنبوب حماية خارجي ثقيل مصنوع من كربيد السيليكون أو مادة أخرى حيث تكون هناك حاجة إلى زيادة الحماية.

يتم تركيب الآبار الحرارية عادة في أنظمة الأنابيب وتخضع لقوى هيدروستاتيكية وهوائية . يعتبر تساقط الدوامات هو الشاغل الرئيسي للآبار الحرارية في تطبيقات التدفق المتقاطع وهو قادر على إجبار الآبار الحرارية على الرنين مع إمكانية فشل التعب ليس فقط في الآبار الحرارية ولكن أيضًا في مستشعر درجة الحرارة . تحكم شروط الرنين الناتج عن التدفق بشكل عام تصميم الآبار الحرارية بصرف النظر عن تصنيف الضغط ومواد البناء. تحدث الحركة الناتجة عن التدفق في الآبار الحرارية في خط مستقيم وعرضي لاتجاه التدفق مع قوى السوائل التي تعمل على ثني الآبار الحرارية. في العديد من التطبيقات، يميل المكون العرضي لقوى السوائل الناتجة عن تساقط الدوامات إلى التحكم في بداية الرنين الناتج عن التدفق، مع تردد إجباري يساوي معدل تساقط الدوامات. في السوائل والسوائل القابلة للضغط ذات الضغط العالي ، يوجد أيضًا مكون أصغر ولكنه مهم للحركة في اتجاه التدفق ويحدث بمعدل ضعف معدل تساقط الدوامات تقريبًا. قد تحكم حالة الرنين الخطي تصميم البئر الحراري عند سرعات السوائل العالية على الرغم من أن سعتها هي دالة على معامل التخميد الكتلي أو رقم سكروتون الذي يصف تفاعل البئر الحراري مع السائل.

تعتمد معاملات القوة الديناميكية الهوائية واعتماد معدل التساقط على ما يسمى برقم رينولدز الطرفي. بالنسبة لأرقام رينولدز أقل من 100000 (رقم رينولدز الحرج)، فإن قوى التساقط تتصرف بشكل جيد وتؤدي إلى إجبار دوري. بالنسبة لأرقام رينولدز المرتبطة بأزمة السحب (التي أبلغ عنها لأول مرة جوستاف إيفل) 100000 < Rd < 1،000،000-3،000،000، فإن قوى التساقط تكون عشوائية مع انخفاض مماثل في المقدار. تتميز التقلبات العشوائية بأطياف فورييه التي تتميز بعرض نطاق ستروهال وحجم الجذر التربيعي المتوسط ​​لمعاملات القوة الديناميكية الهوائية في اتجاهي الرفع والسحب.

بالنسبة لأنابيب الترمومتر ذات القضبان المثقوبة، فإن الشكل الأكثر شيوعًا للفشل هو إجهاد الانحناء عند قاعدتها حيث تكون إجهادات الانحناء أعظم. في ظروف التدفق القصوى (السوائل عالية السرعة أو الغازات والأبخرة عالية السرعة وعالية الضغط) قد يحدث فشل كارثي مع إجهادات الانحناء التي تتجاوز القوة القصوى للمادة. بالنسبة لأنابيب الترمومتر الطويلة للغاية، قد يحكم المكون الثابت لإجهادات الانحناء التصميم. في الخدمات الأقل تطلبًا، يكون فشل التعب أكثر تدريجيًا وغالبًا ما يسبقه فشل متسلسل للمستشعر. يرجع الأخير إلى تسارع طرف أنبوب الترمومتر أثناء اهتزازه، تتسبب هذه الحركة في رفع العنصر عن قاع أنبوب الترمومتر وضرب نفسه إلى قطع. في الحالات التي تم فيها قياس إجهادات التسارع، غالبًا ما تتجاوز تسارعات المستشعر في ظروف الرنين 250 جرامًا وتدمر مقياس التسارع .

تعتمد الترددات الطبيعية لأوضاع انحناء البئر الحراري على أبعاد البئر الحراري، ومرونة دعامته، وتعتمد إلى حد أقل على كتلة المستشعر والكتلة المضافة للسائل المحيط بالبئر الحراري.

يحدد رمز اختبار الأداء ASME PTC 19.3TW-2016 ( " 19.3TW") معايير تصميم وتطبيق الآبار الحرارية المدعومة بشكل صلب. ومع ذلك، يجب تصنيع هذه الآبار الحرارية من قضبان أو مواد مزورة حيث يتم تلبية متطلبات أبعاد معينة وتفاوتات التصنيع. الطلاءات والأكمام وأطواق السرعة والأسطح الميكانيكية الخاصة مثل الحلزونات أو الزعانف هي خارج نطاق معيار 19.3TW صراحةً. ^[2]

كان الفشل الكارثي لخزان حراري بسبب الإجهاد سببًا في تسرب الصوديوم واندلاع الحريق في محطة مونجو للطاقة النووية في اليابان عام 1995. وقد تم توثيق حالات فشل أخرى في الأدبيات المنشورة.

معيار ASME PTC 19.3 TW (2016) Thermowells هو رمز مستخدم على نطاق واسع للـ Thermowells المصنوعة من قضبان معدنية ويتضمن تلك الملحومة أو الملولبة في شفة بالإضافة إلى تلك الملحومة في وعاء عملية أو أنبوب مع أو بدون محول لحام، لكنه لا يأخذ في الاعتبار مرونة جدار الأنبوب أو البيضاوي.

• ثني
• قياس درجة الحرارة
• نظرية شعاع تيموشينكو
• اهتزاز

بخصوص خطأ القياس وتركيبات الثيرموبويل الأكثر تعقيدًا:

• Benedict, RP, Murdock, JW (1963) "التحليل الحراري في الحالة المستقرة لـ Thermowell"، ASME J. Eng. Power، يوليو 1963، ص 235-244
• Cessac, Kevin J. (2003) "تقليل أخطاء توصيل البئر الحراري في قياس درجة حرارة خط أنابيب الغاز"، وقائع مؤتمر AIP 684، 1093 (2003)؛ https://doi.org/10.1063/1.1627275

تتضمن المراجع الأحدث خطأ القياس الناجم عن الإشعاع، واللهب المشتعل، وقرب مصادر الحرارة.

فيما يتعلق بتصميم البئر الحراري:

• رموز اختبار الأداء ASME (2016)، ASME PTC 19.3TW
• بروك، جيمس إي. (1974) "تحليل الإجهاد للآبار الحرارية"، تقرير NPS – 59B074112A، كلية الدراسات العليا البحرية، مونتيري كاليفورنيا
• Koves, William (2008) سؤال تم طرحه في اجتماع لجنة PTC 19.3TW بشأن امتثال دعم Brock وسمك المعدن
• بورتر، ما، مارتنز، دي إتش (2002) "تحقيق وتحليل اهتزازات ثيرموويل"، مطبعة الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين. الأوعية والأنابيب 2002-1500، ص 171-176
• تقرير (2007) "تمديد وتحديث المبادئ التوجيهية لتجنب التعب الناتج عن الاهتزاز لأنابيب العمليات، تقييم العناصر المتطفلة"، تقرير معهد الطاقة AVIFF-2005-13، ص 1-25
• Leissa, AW (1973) "اهتزاز القذائف"، مجلة ناسا SP-288، ص 32-38
• Karczub, DG (2006) "تعبيرات للتقييم المباشر لعدد الموجات في دراسات اهتزاز الغلاف الأسطواني باستخدام معادلات الحركة Flügge"، J. Acoust. Soc. Am. 119(6)، ص 3553-3557. DOI:10.1121/1.2193814
• Bijlaard, PP (1955) "الإجهادات الناتجة عن الأحمال المحلية في الأصداف الأسطوانية"، ترجمة ASME، 77، ص 805-816
• ساندرز، جيه إل، سيموندز، جيه جي (1970) "قوى مركزة على قذائف أسطوانية ضحلة"، مجلة ASME للميكانيكا التطبيقية، 37، ص 367-373
• ستيل، سي آر، ستيل، إم إل (1983) "تحليل الإجهاد للفوهات في الأوعية الأسطوانية ذات الحمل الخارجي"، مجلة ASME J. Press. Vessel Tech.، 105، ص 191-200
• Xue, Ming-De, Li, DF, Hwang, KC (2005) "حل نظري لقشرة رقيقة لقشرتين أسطوانيتين متقاطعتين بسبب عزم الأنابيب الفرعية الخارجية"، ASME J. Press. Vessel Tech.، 127 صفحة 357-368
• Wais, EA, Rodabaugh, EC, Carter, R. (1999) "Stress Intensification Factors and Flexibility Factors for Unreinforced Branch Connections", ASME Proc. Press. Vessels and Piping, 383, pp. 159–168
• Xue, L., Widera, GEO, Seng, Z. (2006) "Flexibility Factors for Branch Connections Frequency Frequency 2006" "Flexibility Factors for Branch Connections Frequency 2006" "Flexibility Factors for Branch Connections Frequency 2006" "Flexibility Factors for Branch Connections Frequency 2006" "Flexibility Factors for Substance ... Substance Frequency 2006" "Flexibility Factors for Substance Frequency 2006" "Flexibility Factors for Substance Frequency 2006" "
• مينج، آر إس، بان، جيه، نورتون، إن بي (1999) "وظائف الحركة وتطبيقاتها في حساب القدرة"، مجلة الصوتيات الأمريكية 105(3)، ص 1702-1713
• Fegeant, O. (2001) "حلول مغلقة الشكل لحركات النقاط للقذائف الأسطوانية المثارة بشكل متماثل محوريًا"، مجلة الصوت والاهتزاز، 243(1)، ص 89-115
• Motriuk, RW (1996) "التحقق من طريقتين للتخفيف من اهتزاز غلاف الأنابيب عالية التردد"، ASME Proc.، مونتريال، PVP-FIV 328، ص 405-413
• تشو، زد جيه، موتريوك، آر دبليو (1996) "تأثير طول أنبوب الحرارة المخروطي على قياس درجة الحرارة"، إجراءات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، سلامة الهياكل، PVP-333، ص 97-104
• أودونيل، دبليو جيه (1960) "الانحراف الإضافي للرافعة بسبب مرونة الدعامة"، مجلة ASME للميكانيكا التطبيقية، 27(3)، ص 461-464
• براون، جيه إم، هول، إيه إس (1962) "انحراف الانحناء لعمود دائري ينتهي بجسم شبه لانهائي"، مجلة الميكانيكا التطبيقية للجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، 29(1)، ص 86-90
• MacBain, JC, Genin, J. (1973) "الترددات الطبيعية للحزمة مع مراعاة خصائص الدعم"، مجلة الصوت والاهتزاز، 27 (2)، ص 197-206
• بروك، جي إي (1974) "تحليل الإجهاد للآبار الحرارية"، تقرير NPS – 59B074112A، تقرير مدرسة الدراسات العليا البحرية AD/A-001 617، مدرسة الدراسات العليا البحرية، مونتيري كاليفورنيا
• ويفر، دبليو، تيموشينكو، إس بي، يونج، دي إتش (1990) مشاكل الاهتزاز في الهندسة، الطبعة الخامسة، جون وايلي وأولاده، نيويورك
• هان، إس إم، بينارويا، إتش، وي، تي. (1999) "ديناميكيات الحزم المهتزة عرضيًا باستخدام أربع نظريات هندسية"، مجلة الصوت والاهتزاز، 225(5)، ص 935-988
• بارثوف، إل دبليو (1981) "الاهتزازات الناتجة عن تدفق ثيرمويل المقاسة في الأنابيب المعملية ومصنع FFTF"، مؤتمر ASME PVP، DEN PVP-168، دنفر كولورادو
• أوغورا، ك.، فوجي، ت. (1999) "اختبار الاهتزاز الناتج عن التدفق للثيرموبيل في نظام التبريد الثانوي للنموذج الأولي لمفاعل FBR"، المؤتمر الدولي السابع للهندسة النووية، طوكيو، اليابان، ICONE 7380

بخصوص تقارير الفشل المنشورة:

• Heffner, RE, Gleave, SW, Norberg, JA (1962) "فشل واستبدال البئر الحراري SPERT III"، تقرير البحث والتطوير لشركة الطاقة الذرية رقم IDO-16741
• مارتن، دبليو إف (1973) "فشل ثيرموويل في تركيب اختبار مكونات الصوديوم (SCTI)"، تقرير البحث والتطوير لشركة الطاقة الذرية، LDO-TDR-73-4
• اتصالات خاصة (1984)، قضية قياس درجة حرارة الغازات المنبعثة
• بيرمانا، يهيندا (1995) "فشل البئر الحراري نتيجة لظاهرة تساقط الدوامات"، معهد الاهتزازات، وقائع الاجتماع السنوي التاسع عشر، ص 55-59
• إيكرت، ب. (2010) "دراسة حالة الضاغط الطردي المركزي"، مؤتمر ميكانيكا الغاز، جي إم سي 2010
• ملخص تقرير SIGTTO (2011) "الآبار الحرارية في خطوط نقل الغاز الطبيعي المسال"، جمعية مشغلي ناقلات الغاز والمحطات الدولية، أبريل 2011
• البطاجري، أ.م.، فتحي، ج. (2013) "فشل التعب في آبار الحرارة في خط أنابيب إمداد الغاز المغذي في مصنع إنتاج الغاز الطبيعي"، دراسات حالة في تحليل الفشل الهندسي، 1، ص 79-84، DOI: 10.1016/J. CSEFA 2013.04.001
• كاوامورا، ت.، ناكاو، ت.، هاشي، م.، موراياما، ك.، (2001)، "تأثير رقم ستروهال على الاهتزاز المتزامن لأسطوانة دائرية في التدفق المتقاطع"، سلسلة JSME B، 44(4)، ص 729-737
• رايس، سو (1944)، "التحليل الرياضي للضوضاء العشوائية"، مجلة بيل لتكنولوجيا النظم، 23، ص 282-332
• بندات، جيه إس، بيرسول، إيه جي، (1971) البيانات العشوائية: التحليل والقياس، وايلي إنترساينس، نيويورك
• بليفينز، آر دي، بيرتون، تي إي (1976)، "قوى السوائل الناتجة عن تساقط الدوامات"، مجلة هندسة السوائل ASME، ص 19-24
• جاكوت، آر جي (2000) "الاهتزاز العشوائي لأنظمة الحزم المعدلة المخففة"، مجلة الصوت والاهتزاز، 234(3)، ص 441-454
• فونج، واي سي، (1960)، "الرفع والسحب المتقلبان المؤثران على أسطوانة في تدفق عند أرقام رينولدز فوق الحرجة"، مجلة علوم الفضاء الجوي، 27 (11)، ص 801-814
• روشكو، أ. (1961) "تجارب على التدفق عبر أسطوانة دائرية عند رقم رينولدز مرتفع للغاية"، مجلة ميكانيكا الموائع، 10، ص 345-356
• جونز، جي دبليو (1968) "القوى الديناميكية الهوائية على الأسطوانات الدائرية الثابتة والمتذبذبة عند أرقام رينولدز عالية"، ندوة الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين حول التدفق غير المستقر، قسم هندسة الموائع، ص 1-30
• جونز، جي دبليو، سينكوتا، جيه جيه، ووكر، آر دبليو (1969) "القوى الديناميكية الهوائية على أسطوانة دائرية ثابتة ومتذبذبة عند أرقام رينولدز عالية"، تقرير ناسا TAR-300، ص 1-66
• Achenbach, E. Heinecke, E. (1981) "حول تساقط الدوامات من الأسطوانات الملساء والخشنة في نطاق أرقام رينولدز من 6x103 إلى 5x106"، مجلة ميكانيكا الموائع. 109، ص 239-251
• Schewe, G. (1983) "حول تقلبات القوة المؤثرة على أسطوانة دائرية في التدفق العرضي من أرقام رينولدز دون الحرجة إلى أرقام رينولدز فوق الحرجة"، مجلة ميكانيكا الموائع، 133، ص 265-285
• Kawamura, T., Nakao, T., Takahashi, M., Hayashi, T., Murayama, K., Gotoh, N., (2003)، "الاهتزازات المتزامنة لأسطوانة دائرية في تدفق متقاطع عند أرقام رينولدز فوق الحرجة"، ASME J. Press. Vessel Tech.، 125، ص 97-108، DOI:10.1115/1.1526855
• Zdravkovich, MM (1997)، التدفق حول الأسطوانات الدائرية، المجلد الأول، مطبعة جامعة أكسفورد، إعادة طبع عام 2007، ص 188
• Zdravkovich, MM (2003)، التدفق حول الأسطوانات الدائرية، المجلد الثاني، مطبعة جامعة أكسفورد، إعادة طبع عام 2009، ص 761
• بارتران، د. (2015) "مرونة الدعم والترددات الطبيعية لأنابيب التدفئة الحرارية المثبتة على الأنابيب"، مجلة ASME J. Press. Vess. Tech.، 137، ص. 1-6، DOI:10.1115/1.4028863 رقم الورقة: PVT-19-1012 https://doi.org/10.1115/1.4044602
• بوتيريل، ن. (2010) "نمذجة تفاعل بنية السوائل للكابلات المستخدمة في هياكل الهندسة المدنية"، أطروحة دكتوراه (http://eprints.nottingham.ac.uk/11657/)، جامعة نوتنغهام
• بارتران، د. (2018) "أزمة السحب وتصميم البئر الحراري"، مجلة الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، الأوعية والأنابيب، المجلد 140/044501-1. رقم الورقة: PVT-18-1002 https://doi.org/10.1115/1.4039882

بخصوص اختبارات تدفق البئر الحراري مع أو بدون الشرائط:

• بارتران، ديف (2019) "التحليل النمطي لأنابيب الحرارة المثبتة على الحافة"، ASME J. Press. Vessel Tech. 141(6): 064502، DOI: 10.1115/1.4044602.

• لجنة قياس درجة الحرارة PTC 19.3
• آبار حرارية لأجهزة استشعار درجة الحرارة وقياس درجة الحرارة - بإذن من رايموند بيكوك وتقديرًا لإسهاماته في قياس درجة الحرارة
• [www.nrc.gov › docs اهتزازات الآبار الحرارية الناتجة عن التدفق - NRC]