Гильза защитная для датчика температуры. Российский патент 2025 года по МПК G01K1/08 G01K13/02 

Заявляемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении температуры движущихся жидких и газообразных сред для предотвращения разрушения датчиков температуры. Может применяться в нефтепереработке, энергетике, металлургии и других отраслях промышленности. Технологические процессы, реализуемые в этих отраслях, часто характеризуются высокими скоростями потока термометрируемой среды наряду с высокими значениями температуры и давления. В таких условиях защита датчиков температуры гильзами крайне необходима.

Из уровня техники известны защитные гильзы для датчика температуры с различными геометрическими формами. Прямая защитная гильза имеет одинаковый диаметр по всей длине погружной части - часть гильзы от узла крепления до торца гильзы находящегося в термометрируемой среде (шток), ступенчатые защитные гильзы выполнены с уменьшением диаметра к концу штока гильзы. Уменьшенная площадь поверхности обеспечивает снижение сопротивления воздействию потока и более быстрый отклик датчиков на изменение температуры. Конические защитные гильзы имеют диаметр, который постепенно уменьшается по длине погружной части. Они обладают большей прочностью за счет изменения угла атаки, а также быстрым временем отклика на изменения температуры. Область применения гильз защитных ограничивается скоростями потоков термометрируемой среды. Так, для гильз защитных прямой и конической формами с глубиной погружения 400 мм согласно методике расчета прочности МРП ЮНКЖ-13, утвержденной ОАО ВНИИНЕФТЕМАШ [1], а также критериям международного стандарта ASME PTC 19.3 [2], рекомендованная скорость применения при плотности среды 54 кг/м³ не более 7 м/с.

Ограничение по скорости объясняется тем, что погружаемая в поток термометрируемой среды гильза испытывает сложное напряженное состояние. Оно создается наружным давлением среды, действующим по всей поверхности погружной части гильзы, и силовым направленным воздействием потока. Силовое воздействие потока на шток, как на стержневой элемент, рассматривается в качестве основного нагружающего фактора. За счет вязкости при поперечном обтекании штока вблизи его поверхности происходит отрыв пограничного слоя потока от его основной части. В результате отрыва позади штока образуется вихревой (гидродинамический) след, вызывающий гидроупругие колебания штока гильзы. Чем больше скорость потока, тем больше вихреобразование и тем больше колебания. Значительные частота и амплитуда колебаний штока могут привести к риску его разрушения по причине усталостного эффекта и резонансных явлений.

Для предотвращения разрушения и/или уменьшения влияния описанного явления на надежность были разработаны гильзы - термокарманы, конструкция которых снижает вихреобразование, а следовательно, и вибрационную нагрузку на шток гильзы.

Так, известна гильза защитная производства компании Daily Thermetrics, модель Daily Helix Thermowell DHTW [3], с конструкцией, снижающей вихреобразование. В элементах конструкции гильзы использованы технические решения, указанные в Евразийском патенте ЕА 015862 В1 компании ЭНДЕТ ЛТД. (GB). Термокарман по патенту ЕА 015862 В1 содержит вытянутую трубку с элементами, модифицирующими поток, в виде одного или нескольких винтообразных/спиральных ребер, продольно навитых вдоль и вокруг по меньшей мере части внешней поверхности указанной трубки. Толщина ребер составляет от 0.005D до 0.2D, а высота ребер составляет от 0.05D до 0.5D, где D - внешний диаметр или толщина трубки. При этом трубка закрыта с одного конца и снабжена на другом конце соединительным элементом, обеспечивающим возможность прикрепления к стенке резервуара под давлением, трубопровода и т.п. Такое устройство обычно выполняется с возможностью помещения в трубку термокармана температурного датчика, такого как термопара. Таким образом, термокарман позволяет обеспечить достаточно тесный тепловой контакт датчика с текучей средой, температуру которой необходимо измерить, также термокарман защищает датчик от непосредственного контакта с данной текучей средой, тем самым предотвращая механическое повреждение датчика.

Также известна конструкция защитной гильзы в виде скрученного квадрата патент RU 2575136 C1 компании ROSEMOUNT INC (US). Конструкция включает в себя участок контакта с технологической текучей средой для установки в технологическую емкость; удлиненный участок, проходящий от участка контакта с технологической текучей средой до герметично закрытого конца, причем удлиненный участок включает в себя скрученный участок, который скручен вокруг продольной оси; при этом участок контакта с технологической текучей средой и удлиненный участок образуют канал для датчика, выполненный с возможностью размещения в нем датчика; и при этом скрученный участок имеет поперечное сечение, которое включает в себя по меньшей мере три стенки равных размеров, которые образуют многоугольник, и при этом стенки образуют спирали вдоль продольной оси скрученного участка.

Спиральная форма указанных выше конструкций позволяет подавлять вредные вибрации, тем самым значительно снижая динамические нагрузки, которым подвергается защитная гильза. Данная конструкция защитной гильзы значительно снижает риск выхода из строя гильзы и позволяет работать в областях скоростей потока, недоступных для цилиндрических защитных гильз и гильз с переменным диаметром. Действительно, проведенный компанией Daily Thermetrics в программном обеспечении ANSYS численный анализ характеристик потоковых процессов при использовании физико-математических методов, подтверждает эффективность спиральной формы. Согласно полученным результатам, указанных в документе White Paper - CFD Analysis of Helix Thermowell Design Doc: # DTC-WP-1003 Rev B [4] - амплитуда колебаний кончика штока гильзы со спиральной формой и длиной погружения в среду 400 мм, с плотностью 54 кг/м³ и скоростью потока 7 м/с, в 10 раз меньше амплитуды колебаний прямой цилиндрической формы при тех же условиях. Сравнение амплитуды колебания кончика штока гильзы спиральной формы и прямой цилиндрической показано на Фиг.1, где у гильзы с прямой цилиндрической формой амплитуда значительно выше, чем у гильзы со спиральной формой.

Выполненная Заявителем оценка результатов расчета динамической нагрузки, а именно частоты наведенных потоком колебаний, в программном обеспечении ANSYS по методике международного стандарта ASME PTC 19.3 подтвердила ограничения по применению гильз защитных прямой цилиндрической формы, а также эффективность конструкций со спиральной формой. Согласно стандарту, расчет динамической нагрузки производится с учетом коэффициента демпфирования - число Скрэнтона - N_c, которое прямо пропорционально допустимому значению относительной частоты r, рассчитываемому, как отношение частоты наведенных колебаний f_s к частоте собственных колебаний f_n. Относительная частота r может использоваться, как предел допустимой нагрузки на материал защитной гильзы в зависимости от действующей нагрузки в условиях резонанса. Предельное значение относительной частоты согласно стандарту равно 0.8. Расчет проводился для гильз с длиной погружения в среду 400 мм, плотностью среды 54 кг/м³ и скоростью потока среды 7 м/с. Результаты расчета приведены в таблице 1 и Фиг.2 и Фиг. 3, где показано, что гильза со спиральной формой имеет двукратный запас прочности от предела допустимой динамической нагрузки, напротив, значение относительной частоты для гильзы с цилиндрической формой превысило предельное и она не рекомендована к применению.

Таблица 1

Форма Частота собственных колебаний (f_n), Гц Частота наведенных колебаний (f_s), Гц Относительная частота, r Заключение Цилиндрическая 83 110 1.3 Не рекомендовано Спиральная 88 34 0.4 Рекомендовано

Известны технологические процессы, в которых скорость потоков термометрируемой среды значительно выше 7 м/с. Например, на установке факельного коллектора по производству серы или на электрообессоливающей установке при плотности среды 1-2 кг/м³ могут реализовываться скорости до 150 м/с.

Недостатком защитной гильзы/термокармана со спиральной формой является тот факт, что область их применения ограничивается скоростью потока термометрируемой среды до 100 м/с при плотности среды 1-2 кг/м³. Ограничения по скорости получены в ходе выполнения анализа характеристик потоковых процессов при использовании физико-математических методов при помощи программного обеспечения Ansys. Согласно документу Заявителя - CFD analysis of helical strakes thermowell [5] - гильза со спиральной формой и длиной погружения в среду 600 мм, с плотностью 1.3 кг/м³ и скоростью потока 100 м/с испытывает неоднородные по амплитуде и периоду колебания, как показано на Фиг. 4. ООО «НПП «РИТМ» (https://nppritm.ru/products/gz/gz-hs/) - производитель термокарманов защитных для модели со спиральной формой GZ-HS также ограничивает рабочий диапазон по скорости потока не более 100 м/с.

Предлагаемое изобретение решает техническую проблему по устранению вибрационной нагрузки от потока измеряемой среды.

Техническим результатом является увеличение диапазона применения гильзы по скорости потока за счет более эффективного снижения вихреобразования, снижения амплитуды колебаний до 10 раз, при этом профиль амплитуды и период колебаний сохраняется однородным, что и расширяет диапазон возможных скоростей применения до 150 м/с при плотности среды 1,3 кг/м³ длиной погружения в среду 600 мм.

Для достижения заявленного технического результата предлагается гильза защитная, включающая, монтажную часть для крепления к стенке резервуара под давлением, соединенную с ней погружную часть в виде тела вращения с глухим отверстием, на внешней поверхности которого выполнены элементы, модифицирующие поток. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что элементы, модифицирующие поток, выполнены в виде продольных ребер, разбитых на секции, т.е. имеют дискретную форму. При этом секции на соседних ребрах смещены относительно друг друга. Погружная часть может быть выполнена из двух или более тел вращения. Конструкция гильзы защитной обеспечивает возможность замены датчика без демонтажа защитной гильзы с объекта, а также возможность вынести клеммную головку датчика за пределы теплоизоляции трубопровода или аппарата.

На Фиг.5 и Фиг.6 представлены общий вид гильзы защитной с цилиндрической погружной частью и вид А - смещение секций соседних ребер, где:

1 - монтажная часть; 2 - погружная часть; 3 - глухое отверстие; 4 - ребро; 5 - секция ребра; 6 - смещение секций соседних ребер.

При использовании на поверхности гильзы защитных элементов, модифицирующих поток, с дискретной формой значительно минимизируется вихреобразование в потоке вокруг гильзы, снижается значение индекса кинетической энергии турбулентности (TKE).

В динамике жидкости кинетическая энергия турбулентности (ТКЭ) - средняя кинетическая энергия на единицу массы, является одной их важных характеристик. Высокая турбулентная кинетическая энергия вызывает образование вихрей, которые и раскачивают гильзу. Согласно данным Заявителя, полученным в ходе выполнения анализа характеристик потоковых процессов при использовании физико-математических методов при помощи программного обеспечения Ansys Perfomance comparison of helical strakes thermowell and discrete thermowell using CFD [6], значение кинетической энергии вблизи тела гильзы с дискретной формой при скорости потока 100 м/с, плотности среды 1.3 кг/м³ и длины погружной части 600 мм значительно ниже (до 4х раз) значения в случае со спиральной формой (9.5⋅10^-2 м²⋅с^-2 - спиральная форма, 2.4⋅10^-2 м² ⋅ с^-2 - дискретная форма). Образование вихрей не происходит. На Фиг. 7 и Фиг.8 показаны профили кинетической энергии турбулентности соответственно у гильз со спиральной и дискретной формами.

Таким образом, достигается существенное уменьшение амплитуды колебаний - до 10 раз (5.9⋅10^-2 мм - спиральная форма, 5.1⋅10^-3 мм - дискретная форма). На Фиг. 9 и Фиг.10 показаны максимальная амплитуда колебаний кончика штока гильзы соответственно у гильз со спиральной и дискретной формами.

Так профиль амплитуды и периода колебаний сохраняется однородным у гильзы с дискретной формой, как показано на графике Фиг.11.

Существенное изменение показателей, указанных выше, снижает вихреобразование, а следовательно, и вибрационную нагрузку на шток гильзы, риски разрушения конструкции по причине усталостного эффекта и резонансных явлений, что повышает надежность дискретной гильзы защитной и расширяет диапазон ее применения до 150 м/с скорости потока.

Выполненная Заявителем оценка результатов расчета динамической нагрузки, а именно частоты наведенных потоком колебаний, в программном обеспечении ANSYS по методике международного стандарта ASME PTC 19.3 также подтвердила ограничения по применению гильз защитных спиральной формы и эффективность конструкций с дискретной формой. Расчет проводился для гильз с длиной погружения в среду 600 мм, плотностью среды 1.3 кг/м³ и скоростью потока среды 150 м/с. Результаты расчета приведены в таблице 2 и на Фиг.12 и Фиг.13, где показано, что гильза с дискретной формой имеет двукратный запас прочности от предела допустимой динамической нагрузки, напротив, значение относительной частоты для гильзы со спиральной формой превысило предельное и она не рекомендована к применению.

Таблица 2

Форма Частота собственных колебаний (f_n), Гц Частота наведенных колебаний (f_s), Гц Относительная частота, r Заключение Спиральная 55 62 1.1 Не рекомендовано Дискретная 60 25 0.4 Рекомендовано

В таблице 3 приведены варианты исполнения защитных гильз, которые были произведены и испытаны на объектах одного из нефтеперерабатывающих заводов. Общий вид гильз представлен на фиг.14, который соответствует одному из вариантов заявляемого устройства. Конструкция гильзы содержит монтажную часть для крепления к стенке резервуара в виде фланца, соединенную с ней погружной части в виде двух тел вращения - конуса и цилиндра. На погружной цилиндрической части диаметром D выполнены элементы, модифицирующие поток, в виде ребер разбитых на секции высотой Н и толщиной c, при этом секции соседних рядов смещены на расстояние s относительно друг друга, как показано на Фиг. 15 и Фиг. 16.

Таблица 3

Погружная длина, мм 250 260 Диаметр дискретной части, мм 28 28 Скорость, м/с 50 150 Плотность, кг/м³ 20 1,4 Вязкость, кг/м-с (10*-5) 1,6 0,8 Температура, С 350 400

Данные об условиях эксплуатации приведены согласно технологическим параметрам, указанных в опросных листах на средства контроля температуры. Физически гильзы изготовлены и установлены на эксплуатацию, нарекания со стороны потребителя отсутствуют.

На Фиг.14, Фиг.15 и Фиг.16 представлены гильза с погружной частью из двух тел вращения с элементами, модифицирующими поток в виде ребер разбитых на секции, выполненными на одной из них, разрез погружной части и смещение секций ребер в соседних рядах, где:

1 - монтажная часть;

2 - погружная часть;

3 - глухое отверстие;

4 - ребро;

5 - секция ребра;

6 - смещение секций соседних ребер;

D - диаметр;

Н - высота ребер.

С помощью монтажной части (1) защитная гильза устанавливается на объект, при этом в погружной части (2), состоящей из конусной и цилиндрической частей, выполнено глухое отверстие (3), предназначенное для установки датчика температуры. При обтекании погружной цилиндрической части гильзы (2) с выполненными на участке, находящемся непосредственно в потоке, элементами, модифицирующих поток (4), в виде ребер, разбитых на секции (5), каждая из секций образует свой отдельный вихревой след в результате срыва потока с нее. Направления и структуры данных вихревых следов разнонаправлены в пространстве, за счет расположения секций элементов, модифицирующих поток, под различными углами к набегающему потоку. В результате вместо одного большого вихревого следа, имеющего часть, обратно направленную потоку и способную создать колебания штока гильзы, создается множество разнонаправленных малых вихревых потоков, не способных создать колебания.

Список литературы:

1. Гильзы электрические для термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления: методика расчета прочности МРП ЮНКЖ-13 /Обнинск, ООО «ПК «Тесей», 2013. - 11 стр.

2. ASME PTC 19.3 TW-2016. Thermowells. Performance Test Codes - 62 стр.

3. Daily Helix Thermowell (DHTW) - URL: http://www.dailyinst.com/products/thermowells/

4. CFD Analysis of DHTW utilizing VE Technology. A Helix Thermowell Design White Paper - URL: http://www.dailyinst.com/products/thermowells/

5. CFD analysis of helical strakes thermowell , 2024 - 11 стр.

6. Performance comparison of helical strakes thermowell and discrete thermowell using CFD, 2024 - 16 стр.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтепереработке, энергетике, металлургии и других отраслях промышленности при измерении температуры движущихся жидких и газообразных сред для предотвращения разрушения датчиков температуры. Гильза защитная для датчика температуры содержит монтажную часть для крепления на объекте, погружную часть в виде тела вращения с глухим отверстием, на внешней поверхности которой выполнены элементы, модифицирующие поток, в виде продольных ребер, разбитых на секции, причем секции на соседних ребрах смещены относительно друг друга. Техническим результатом является увеличение диапазона применения гильзы по скорости потока за счет более эффективного снижения вихреобразования, снижения амплитуды колебаний. 16 ил., 3 табл.

Гильза защитная для датчика температуры, включающая монтажную часть для крепления на объекте, погружную часть в виде тела вращения с глухим отверстием, на внешней поверхности которой выполнены элементы, модифицирующие поток, отличающаяся тем, что элементы, модифицирующие поток, выполнены в виде продольных ребер, разбитых на секции, причем секции на соседних ребрах смещены относительно друг друга.