Termopozo - Thermowell

Los termopozos son accesorios cilíndricos que se utilizan para proteger los sensores de temperatura instalados en procesos industriales. Un termopozo consta de un tubo cerrado en un extremo y montado en la corriente del proceso. Un sensor de temperatura como un termómetro , termopar o detector de temperatura de resistencia se inserta en el extremo abierto del tubo, que generalmente se encuentra al aire libre fuera de la tubería o recipiente del proceso y cualquier aislamiento térmico. Termodinámicamente, el fluido de proceso transfiere calor a la pared del termopozo, que a su vez transfiere calor al sensor. Dado que hay más masa presente con un conjunto sensor-pozo que con una sonda directamente sumergida en el proceso, la respuesta del sensor a los cambios de temperatura del proceso se ralentiza con la adición del pozo. Si el sensor falla, se puede reemplazar fácilmente sin drenar el recipiente o la tubería. Dado que la masa del termopozo debe calentarse a la temperatura del proceso, y dado que las paredes del termopozo conducen el calor fuera del proceso, la precisión y la capacidad de respuesta del sensor se reducen mediante la adición de un termopozo.

Tradicionalmente, la longitud del termopozo se ha basado en el grado de inserción en relación con el diámetro de la pared de la tubería. Esta tradición está fuera de lugar, ya que puede exponer el termopozo al riesgo de vibración inducida por el flujo y falla por fatiga. Cuando se realizan cálculos de error de medición para la instalación, para tuberías aisladas o temperaturas de fluido cercanas a la ambiente, excluyendo los efectos de la radiación térmica, el error de conducción es inferior al uno por ciento siempre que la punta esté expuesta al flujo, incluso en instalaciones montadas con bridas.

El tiempo de respuesta del sensor instalado depende en gran medida de la velocidad del fluido y es considerablemente mayor que el tiempo de respuesta del propio sensor. Este es el resultado de la masa térmica de la punta del termopozo y el coeficiente de transferencia de calor entre el termopozo y el fluido.

Los argumentos a favor de diseños más largos se basan en nociones tradicionales, pero rara vez se justifican. Los termopozos largos se pueden utilizar en servicios de baja velocidad o en casos en los que la experiencia histórica justifique su uso. En tuberías modernas de alta resistencia y velocidades de fluido elevadas, cada instalación debe examinarse cuidadosamente, especialmente en los casos en los que intervienen resonancias acústicas en el proceso.

Se mecaniza un termopozo representativo a partir de una barra perforada para garantizar un ajuste adecuado del sensor (por ejemplo, un orificio de 0,260 pulgadas que coincide con un sensor de 0,250 pulgadas). Por lo general, un termopozo se monta en la corriente del proceso mediante una conexión de proceso roscada, soldada, con tapa sanitaria o con brida . El sensor de temperatura, como un termómetro , termopar o detector de temperatura de resistencia, se inserta en el extremo abierto del termopozo y, por lo general, se carga con un resorte para garantizar que la punta exterior del sensor de temperatura esté en contacto de metal con metal con la punta interior del termopozo. Se desaconseja el uso de secciones soldadas para diseños largos debido a los riesgos de corrosión y fatiga.

Materiales y construcción

El termopozo protege el instrumento de la presión, las fuerzas inducidas por el flujo y los efectos químicos del fluido del proceso. Normalmente, un termopozo está hecho de barras de metal. El extremo del termopozo puede ser de diámetro reducido (como es el caso de un termopozo cónico o de vástago escalonado) para mejorar la velocidad de respuesta.

Para presiones y temperaturas bajas, se puede usar teflón para hacer un termopozo; Son típicos varios tipos de acero inoxidable , y otros metales se utilizan para fluidos de proceso altamente corrosivos.

Cuando las temperaturas son altas y la diferencia de presión es pequeña, se puede usar un tubo de protección con un elemento de termopar desnudo. Estos suelen estar hechos de alúmina u otro material cerámico para evitar el ataque químico del platino u otros elementos de termopar. El tubo de protección de cerámica puede insertarse en un tubo de protección exterior pesado fabricado con carburo de silicio u otro material donde se requiera una mayor protección.

Fuerzas de flujo

Los termopozos generalmente se instalan en sistemas de tuberías y están sujetos a fuerzas hidrostáticas y aerodinámicas . El desprendimiento de vórtices es la preocupación dominante para los termopozos en aplicaciones de flujo cruzado y es capaz de forzar al termopozo a resonar con la posibilidad de falla por fatiga no solo del termopozo sino también del sensor de temperatura. Las condiciones para la resonancia inducida por flujo generalmente gobiernan el diseño del termopozo, además de su clasificación de presión y los materiales de construcción. El movimiento inducido por el flujo del termopozo se produce tanto en línea como transversal a la dirección del flujo con las fuerzas del fluido que actúan para doblar el termopozo. En muchas aplicaciones, el componente transversal de las fuerzas del fluido que resultan del desprendimiento del vórtice tiende a gobernar el inicio de la resonancia inducida por el flujo, con una frecuencia de forzamiento igual a la tasa de desprendimiento del vórtice. En líquidos y en fluidos compresibles a alta presión , también está presente un componente de movimiento más pequeño pero significativo en la dirección del flujo y ocurre a casi el doble de la velocidad de desprendimiento de vórtices. La condición de resonancia en línea puede gobernar el diseño del termopozo a altas velocidades de fluido, aunque su amplitud es una función del parámetro de amortiguación de masa o número de Scruton que describe la interacción del termopozo-fluido.

Los coeficientes de fuerza aerodinámica y la dependencia de la tasa de desprendimiento dependen del llamado número de Reynolds de punta. para números de Reynolds inferiores a 100000 (el número crítico de Reynolds), las fuerzas de desprendimiento se comportan bien y conducen a forzamientos periódicos. Para los números de Reynolds asociados con la crisis de arrastre (reportado por primera vez por Gustav Eiffel) 100,000 <Rd <1,000,000-3,000,000, las fuerzas de desprendimiento se asignan al azar con una reducción correspondiente en magnitud. Las fluctuaciones aleatorias se caracterizan por sus espectros de Fourier caracterizados por su ancho de banda de Strouhal y las magnitudes cuadradas medias de los coeficientes de fuerza aerodinámica en las direcciones de sustentación y resistencia.

Para los termopozos perforados en barra, la forma más común de falla es la fatiga por flexión en su base, donde las tensiones por flexión son mayores. En condiciones de flujo extremas (líquidos a alta velocidad o gases y vapores a alta velocidad y alta presión) pueden ocurrir fallas catastróficas con tensiones de flexión que exceden la resistencia máxima del material. Para termopozos extremadamente largos, el componente estático de las tensiones de flexión puede gobernar el diseño. En servicios menos exigentes, la falla por fatiga es más gradual y, a menudo, está precedida por una serie de fallas en el sensor. Estos últimos se deben a la aceleración de la punta del termopozo a medida que vibra, este movimiento hace que el elemento se levante del fondo del termopozo y se deshaga en pedazos. En los casos en que se han medido las tensiones de aceleración, las aceleraciones del sensor en condiciones de resonancia a menudo superan los 250 gy han destruido el acelerómetro .

Las frecuencias naturales de los modos de flexión del termopozo dependen de las dimensiones del termopozo, la conformidad (o flexibilidad) de su soporte y, en menor medida, dependen de la masa del sensor y la masa añadida del fluido que rodea al termopozo.

El Código de prueba de rendimiento de ASME PTC 19.3TW-2016 ("19.3TW") define los criterios para el diseño y la aplicación de termopozos con soporte rígido. Sin embargo, estos termopozos deben fabricarse a partir de barras o material forjado cuando se cumplan ciertos requisitos dimensionales y tolerancias de fabricación. Los revestimientos, manguitos, collares de velocidad y superficies mecanizadas especiales, como espirales o aletas, están expresamente fuera del alcance de la norma 19.3TW.

La falla catastrófica de un termopozo debido a la fatiga causó la fuga de sodio y el incendio de 1995 en la planta de energía nuclear de Monju en Japón. Otras fallas están documentadas en la literatura publicada.

Estandarización

El estándar de termopozos ASME PTC 19.3 TW (2016) es un código ampliamente utilizado para termopozos mecanizados a partir de material en barra e incluye los soldados o roscados en una brida, así como los soldados en un recipiente o tubería de proceso con o sin un adaptador de soldadura, pero no tiene en cuenta la flexibilidad u ovalización de la pared de la tubería.

Ver también

Referencias

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enlaces externos