محاسبات ترموول (Thermowell Calculation) مبحث بسیار مهمی است که قصد داریم در این مقاله به آن اشاره نماییم. محاسبات Thermowell، شامل تعیین ابعاد و پارامترهای طراحی یک غلاف محافظ سنسور دما برای اطمینان از عملکرد مناسب و قابلیت اطمینان آن است. هنگام استفاده از چاه حرارتی، مهم است که این اطمینان را حاصل کنید که متناسب با کاربرد شما است یا خیر. تلاطم بیدار ناشی از فرآیند شما می تواند ترموول را بشکند و به تجهیزات دمایی شما آسیب برساند.

چگونه می توانید اطمینان حاصل کنید که ترموول شما مناسب است؟ محاسبه فرکانس بیداری ترموول می تواند کمک کند. در این مقاله توضیح خواهم داد که فرکانس بیداری ترموول چیست و چگونه آن را محاسبه کنیم.

مطالعه بیشتر: ترموول چیست

این محاسبات معمولاً شامل موارد زیر است:

موراد مهم در محاسبات ترموول

موارد بسیار مهمی در محاسبات غلاف های محافظ سنسور دما وجود دارد که در ادامه به بررسی آن ها می پردازیم:

انتخاب متریال مناسب ترموول

اولین مرحله، انتخاب متریال مناسب برای چاهک دما است که بر اساس شرایط فرآیند مانند دما، فشار و سازگاری سیال است. متریال متداول مورد استفاده برای ترموول ها عبارتند از فولاد ضد زنگ، فولاد کربن و آلیاژهای دیگر.

محاسبه میزان ابعاد و اندازه چاهک دما

طول ترموول بر اساس عواملی مانند عمق ورودی مورد نیاز در فرآیند، فاصله نوک چاه حرارتی تا نقطه اتصال و هر گونه محدودیت لازم برای انبساط یا انقباض حرارتی تعیین می شود.

محاسبه میزان قُطر چاه حرارتی

قطر چاه حرارتی بر اساس ملاحظاتی مانند سرعت جریان فرآیند، زمان پاسخ مطلوب و نیاز به حداقل رساندن پتانسیل ارتعاش یا تشدید ناشی از سیال تعیین می شود.

محاسبه ضخامت دیواره

ضخامت دیواره Thermowell به منظور اطمینان از تحمل فشار فرآیند بدون شکست محاسبه می شود. این محاسبه اختلاف فشار بین سیال فرآیند و محیط اطراف را در نظر می گیرد.

محاسبه میزان فرکانس طبیعی

محاسبه میزان فرکانس طبیعی غلاف محافظ سنسور دما برای جلوگیری از رزونانس و خرابی احتمالی به دلیل ارتعاش بیش از حد حائز اهمیت است. فرکانس طبیعی تحت تأثیر عواملی مانند طول، قطر و خواص متریال غلاف محافظ سنسور دما است.

تجزیه و تحلیل میزان استرس

تجزیه و تحلیل میزان تنش برای ارزیابی یکپارچگی ساختاری ترموول در شرایط عملیاتی انجام می گردد. این تجزیه و تحلیل عواملی مانند تنش استاتیک، تنش دینامیکی و محاسبات عمر تجهیز را در نظر می گیرد.

محاسبه میزان انتقال حرارت

محاسبات میزان انتقال حرارت برای ارزیابی تاثیر ترموول بر دقت اندازه‌گیری دما انجام می‌ گردد. این محاسبات عواملی مانند رسانایی حرارتی متریال و تأثیر رسانش گرما در طول تجهیز را در نظر می گیرند.

نسبت فرکانس بیداری

نسبت فرکانس بیداری (WFR) یک پارامتر حیاتی در طراحی ترموول است. با مقایسه فرکانس طبیعی ترموول با فرکانس ریزش گردابی جریان سیال محاسبه می شود. یک WFR زیر یک حد معین (معمولاً 0.3) برای جلوگیری از رزونانس و شکست خستگی بیش از حد ناشی از ارتعاش مطلوب است.

طول ناحیه غوطه وری

طول ناحیه غوطه وری ترموول بر اساس الزامات فرآیند، مانند نیاز به غوطه ور کردن سنسور دما (مانند ترموکوپل یا آشکارساز دمای مقاومت) در سیال فرآیند در یک عمق خاص تعیین می شود. طول درج، اندازه گیری دقیق دما را با قرار دادن سنسور در ناحیه ای از سیال که تغییرات دما در آن قابل توجه است، تضمین می کند.

نوع مخروطی یا صاف

ترموول ها می توانند طراحی مخروطی یا مستقیم داشته باشند. ترموول های مخروطی به تدریج از نوک تا پایه قطر افزایش می یابد و امکان دینامیک جریان بهتر و کاهش افت فشار را فراهم می کند. ترموول های مستقیم دارای قطر ثابت در طول خود هستند و به طور کلی ساخت آنها ساده تر است.

شرایط فرآیند

محاسبات ترموول شرایط خاص فرآیند از جمله دما، فشار و ماهیت سیال فرآیند (مانند خواص خورنده یا فرسایشی) را در نظر می گیرد. این عوامل به تعیین انتخاب مناسب مواد و ضخامت و استحکام مورد نیاز ترموول کمک می کند.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی را می توان برای تجزیه و تحلیل رفتار جریان سیال در اطراف ترموول، ارزیابی پتانسیل خرابی ناشی از ارتعاش و بهینه سازی طراحی ترموول برای کاربردهای خاص مورد استفاده قرار داد.

تحلیل المان محدود (FEA)

آنالیز المان محدود برای انجام تحلیل تنش و ارزیابی یکپارچگی ساختاری ترموول تحت شرایط باری گوناگون استفاده می شود. FEA به شناسایی مناطقی با تمرکز استرس بالا و بهینه سازی طراحی برای حداکثر استحکام و قابلیت اطمینان کمک می کند.

محاسبه و تئوری فرکانس بیداری ترموول

بیدار شدن ترموول، و فرکانس بیداری ترموول حاصل، یک مشخصه فیزیکی است که از برهمکنش یک ترموول با سیالی که از کنار آن می گذرد، حاصل می شود. ابعاد و هندسه تجهیز، و خواص و شرایط فرآیند سیالی که از کنار آن جریان می‌یابد، همگی تأثیرات و فرکانس گردابه‌های پی را تعیین می‌کنند. در برخی از کاربردها، فرکانس بیداری می تواند منجر به نامناسب بودن طراحی ترموول برای کاربرد شود و استفاده از چنین ترموول یک خطر بالقوه ایمنی باشد.

نظریه فرکانس بیداری ترموول

در یک خط لوله، یک چاه حرارتی به داخل یک سیال جاری امتداد می یابد که بر دیواره ترموول نیرو وارد می کند. نیروهای ساکن توسط جرم سیال که بر روی Thermowell تاثیر می گذارد، اعمال می گردد. علاوه بر این، هنگامی که سیال از کنار تجهیز عبور می کند، تغییر در تکانه سیال یک موج آشفته در پشت چاه ایجاد می کند. گرداب‌هایی که به نام «گردابه‌های فون کارمان» شناخته می‌شوند، در این مسیر شکل می‌گیرند و از طرف‌های متناوب چاه می‌ریزند. فرکانس ریزش گرداب (یا فرکانس بیداری) با سرعت جریان سیال خطی است و با قطر نوک ترموول نسبت عکس دارد.

برای اجرای یک محاسبه فرکانس بیداری چه چیزی لازم است؟

پنج قطعه از پروسه فرآیند شما و ابعاد ترموول برای انجام یک محاسبه مورد نیاز است که به شرح زیر است:

سرعت: این سرعت پروسه فرآیند شما است که معمولاً بر حسب فوت بر ثانیه یا متر بر ثانیه اندازه گیری می شود. این مورد برای محاسبه بسیار حائز اهمیت است. زیرا سرعت بر روی نیروهای بالابر و کشش و سایر تنش های اعمال شده به چاهک دما تأثیر می گذارد.

چگالی: جرم در حجم یا وزن مخصوص. چگالی همراه با سرعت در همه محاسبات به کار می رود.

ویسکوزیته: ضخامت یا معیاری از مقاومت پروسه شما در برابر تنش برشی.

حداکثر فشار: حداکثر نیرویی که به یک جسم وارد می گردد.

حداکثر دما: حداکثر دمای پروسه فرآیند شما.

محاسبات فرکانس بیداری ترموول باید در طول مشخصات تجهیز و قطعاً قبل از ساخت آن انجام شود. این محاسبات اطمینان می دهد که طراحی به اندازه کافی قوی است تا بتواند با نیروهای تولید شده توسط رسانه فرآیند مقابله کند.

انجام یک محاسبه فرکانس بیداری برای هر چاهک دما به شدت ضروری نیست. بسیاری از مهندسان ابزار فقط زمانی محاسبات فرکانس بیداری را انجام می دهند که نرخ جریان سیال بالا باشد (معمولاً در جریان گاز) و اثر میرایی سیال کم باشد، یا زمانی که طول درج ترموول در مقایسه با قطر داخلی لوله طولانی باشد.
تأمین‌کنندگان معتبر ترموول‌ها از ارائه یک محاسبه جداگانه از تنش‌های ناشی از آن و استحکام نسبی ترموول‌های خود بسیار خرسند هستند – این یک بررسی مفید برای هر گونه محاسباتی است که ممکن است انجام دهید.

چرا فرکانس بیداری ترموول نگران کننده است؟

نیروهای ناشی از گرداب باعث ارتعاش غلاف محافظ دما می گردد. بزرگی این ارتعاشات معمولاً ناچیز است. با این حال، با نزدیک شدن فرکانس بیداری به فرکانس طبیعی Thermowell، نیروهای ارتعاشی افزایش می‌یابند و زمانی که فرکانس بیداری با فرکانس طبیعی تجهیز منطبق می‌ گردد، تشدید می‌شود. در رزونانس، نیروهای ارتعاشی به سرعت افزایش می‌یابند و ارتعاشات حاصل می‌تواند باعث خرابی ترموول شود.

اگر ترموول قیچی کند، می تواند با سرعت بالا در خط لوله حرکت کند و به تجهیزات پایین دست آسیب برساند. پمپ‌ها، شیرها و غیره. علاوه بر این، ابزار اندازه‌گیری دما در داخل ترموول (به عنوان مثال ترموکوپل یا RTD) اکنون در معرض فشار خط لوله قرار دارد. این می‌تواند باعث شود که ابزار اندازه‌گیری از سر ترموول به بیرون رانده شود که منجر به از بین رفتن سیال خط لوله شود.

بنابراین بسیار مهم است که مهندس ابزار هنگام انجام اندازه گیری ترموول و مشخصات ترموول فرکانس بیداری را در نظر بگیرد.

استانداردهای محاسبات فرکانس بیداری ترموول

ASME PTC19.3-1974 و ASME PTC19.3TW-2010 بعدی استانداردهایی بوده اند که سال ها برای طراحی بیشتر ترموول ها استفاده می شدند.

ASME PTC19.3TW-2016 یک استاندارد جدیدتر است که در سال 2016 برای جایگزینی استاندارد 2010 منتشر شد. از روش های پیشرفته تری برای ارزیابی مناسب بودن یک ترموول برای یک کاربرد خاص استفاده می کند و برای پروفایل های مخروطی، مستقیم و با نوک کاهش یافته قابل استفاده است. برای ترموول های ساخته شده (لوله جوش داده شده) قابل استفاده نیست.

این به کار انجام شده توسط مرداک اشاره می کند که اکنون استاندارد پذیرفته شده برای تجزیه و تحلیل فرکانس هارمونیک ترموول ها است. با توجه به فرکانس هارمونیک محاسبه شده ساقه ترموول، استاندارد روشی برای محاسبه فرکانس القایی از گرداب ها ارائه می دهد. سپس استاندارد نیاز به یک حاشیه ایمنی دارد که فرکانس القایی بیش از 80 درصد فرکانس هارمونیک ترموول نباشد.

نتیجه گیری

توجه به این نکته مهم است که محاسبات ترموول می تواند پیچیده باشد و شامل اصول مهندسی مختلف باشد. بنابراین توصیه می شود برای روش ها و معادلات دقیق مربوط به طراحی و محاسبات ترموول، با کارشناسان مشورت کنید یا به استانداردها و دستورالعمل های قابل اجرا مانند ASME PTC 19.3 TW یا ISO 18437 مراجعه کنید. در این مقاله به بررسی محاسبات ترموول پرداختیم و موارد را به طور کامل برای شما بیان کردیم. اگر در این زمینه سوالی داشتید، در بخش دیدگاه های این مقاله آن را مطرح نمایید.