ترموول (Thermowell) ــ انواع مختلف، تعیین طول و نحوه نصب

ترموول (Thermowell) ابزاری است که برای سنسورهای دمای مختلف مانند ترمومترهای بی‌متال (bimetal thermometers)، ترمیستور و ترموکوپل‌ها به عنوان محافظ در برابر آسیب‌های ناشی از فشار بالا، سرعت زیاد سیال و خوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از ترموول موجب افزایش طول عمر سنسور دما می‌شود. همچنین امکان تعویض سنسور بدون تخلیه کردن کل سیستم را فراهم می‌آورد که خود موجب کاهش احتمال آلودگی می‌شود. ترموول‌هایی که برای کاربردهای فشار بالا طراحی شده‌اند، معمولا برای افزایش اطمینان و تجمیع بیشتر، از یک میله ماشین‌کاری شده ساخته می‌شوند. اما ترموول‌های کوچکی که برای کاربردهای فشار پایین هستند، ممکن است از تیوب با یک سر اتصال جوشی بسته ساخته شوند. در این مطلب قصد داریم به بررسی ساختار ترموول و انواع مختلف آن بپردازیم. همچنین نحوه تعیین طول مورد نیاز ترموول و نصب آن را نیز بررسی می‌کنیم.

ترموول

همان طور که گفتیم ترموول از سنسور دما در برابر ضربه و خوردگی محافظت می‌کند. چون ساقه یا stem این سنسورها به دلیل نازک بودن در معرض سیال خم می‌شود. در مورد استفاده از ترموول حتما باید به این نکته توجه کرد که ترموول باید در ۱/۳ میانی لوله قرار بگیرد تا اندازه‌گیری دما به خوبی انجام شود. علت این کار این است که اگر ترموول بالاتر از این حد قرار بگیرد، امکان دارد لوله پر نباشد و اندازه‌گیری دما انجام نشود. از طرف دیگر، اگر ترموول پایین‌تر از ۱/۳ میانی قرار بگیرد، مانند یک مانع در مسیر سیال عمل می‌کند و باعث ایجاد جریان‌های گردابی می‌شود که خود موجب ضربه به بدنه پایپ می‌شوند. دلیل دیگر این است که  سیال در ۱/۳ میانی بیشترین سرعت را دارد که موجب تبادل دمای بهتر می‌شود.

نکته دیگر در استفاده از ترموول این است که فاصله بین نوک ساقه سنسور دما تا کف Shank ترموول حتما باید بین ۲ تا ۳ میلی‌متر باشد. این فاصله با پیچ تنظیم ترموول تنظیم می‌کنند تا فاصله مناسب با کف ترموول وجود داشته باشد. همچنین بعد از نصب گیج دما بر روی ترموول باید ابتدا چند قطره روغن یا پودر مس به داخل ترموول ریخت تا تبادل دمایی بهتر انجام شود و گپ هوایی از بین برود.

انواع ترموول

ترموول‌ها بر اساس طراحی Shank آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند. در ترموول نوع صاف یا مستقیم (straight) قطر ساقه در تمام طول درون‌گذاری یکسان است و در برابر خوردگی و فرسایش از سنسور دما محافظت می‌کند. مزیت ترموول نوع مستقیم این است که استحکام بالایی دارد. اما، مشکلی که وجود دارد ایجاد جریان‌های گردابی توسط ترموول در مسیر سیال است.

نوع دیگر ترموول پله‌ای (Stepped) است که در قسمت بالا دارای قطر ۳/۴ اینچ است و سپس به قطر ۱/۲ اینچ در بخش پایین، نزدیک زبانه خود کاهش می‌یابد. کاهش سطج مقطع امکان جریان نرم‌تر، ایجاد گردابه کمتر و پاسخ دمای سریع‌تر برای سنسور را فراهم می‌کند. اما نسبت به نوع مستقیم استحکام کمتری دارد.

نوع سوم ترموول با نام مخروطی (Tapered) شناخته می‌شوند. قطر این نوع ترموول به صورت تدریجی در طول قسمت فرو رونده (insertion) کاهش می‌یابد. این نوع ترموول هم از استحکام نسبتا بالایی برخوردار هستند و هم زمان پاسخ سریعی در برابر تغییرات دمایی دارند. ترموول مخروطی اغلب در کاربردهای با سرعت سیال بالا مورد استفاده قرار می گیرند. مطالعاتی که روی ترموول‌های مستقیم و مخروطی مورد استفاده در لوله‌های گاز طبیعی انجام گرفته است نشان می‌دهند که ترموول‌های مستقیم زمانی که در معرض ارتعاشات ناشی از جریان قرار می‌گیرند، شکست زودرس را تجربه می‌کنند.

از نظر ساخت نیز ترموول به دو نوع solid bore و built up تقسیم می‌شود. در نوع اول یکپارچه ماشین‌کاری می‌شود. اما در نوع دوم جوشکاری به صورت نفوذ کامل استفاده می‌شود. در این حالت بهتر است از تست‌های رادیوگرافی استفاده کرد تا از جوش مطمئن شد.

اتصالات ترموول

ترموول معمولا با اتصال (Instrument Connection) پیچی (Thread) ۱/۲ اینچ NPTF به  RTD، ترمیستور و یا ترموکوپل متصل می‌شود. همچنین ترموول را می‌توان از طریق اتصالات مختلف به پایپ یا مخزن (Process Connection) متصل کرد. برخی از متداول‌ترین انواع این اتصالات عبارتند از:

• پیچی یا رزوه‌ای
• جوشی
• فلنج
• کلمپ

به دلیل قیمت ارزان و نصب راحت، کانکشن‌های پیچی متداول‌ترین نوع کانکشن فرایند ترموول هستند. نکته‌ای که باید در انتخاب نوع کانکشن به آن توجه کرد این است که کانکشن پیچی را در فشار بالاتر از ۶۰ بار نمی‌توان مورد استفاده قرار داد. در فشارهای بالاتر از این مقدار باید از کانکشن فلنجی استفاده کرد. همچنین این کانکشن معمولا به صورت ۱ اینچی بر روی لوله نصب می‌شود.

کانکشن فلنج ترموول زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که فشار فرایند بالا باشد یا در SPEC پروژه ذکر شده باشد. اتصال فلنج بر اساس استاندارد B16.5 و در انواع flat face یا F.F و raised face یا R.F و RTG ساخته می‌شود . فلنج نوع F.F کلاس فشار ۱۵۰ پوند یا ۱۵۰#، فلنج R.F کلاس #۳۰۰ و #۶۰۰ و فلنج RTG کلاس  #۹۰۰ به بالا است. سایز فلنج‌های ترموول معمولا “۱، “1½ و “۲ هستند.

در فرایندهایی مانند صنایع غذایی و دارویی که باید از آلایند‌ه‌‌های رزوه‌ها اجتناب شود و یا در فشار و دماهای بالا از اتصالات جوشی استفاده می‌شود. هزینه این اتصال ارزان است، اما نمی‌توان آن را برای بازرسی و یا تعویض از خط جدا کرد. سایز استاندارد کانکشن جوش برابر با ۳۸ میلی‌متر (“1½)، ۲۶.۹ میلی‌متر (“۳/۴) و یا ۳۳.۴ میلی‌متر (“۱) است. اتصالات O-ring از یک واشر O-ring برای آب‌بندی داخل آستین جوش داده‌شده به مخزن استفاده می‌کنند.

ساختار جوش دوگانه ترموول فلنجی B16.5 اتصالات باز را هم در داخل و هم از خارج برای جلوگیری از ورود مواد خورنده به شکاف‌ها آب‌بندی می‌کند. کانکشن‌های پیچی از موادی ساخته می‌شوند که می‌توانند جوشکاری یا بریزکاری (braze) شوند و مقاومت بیشتری را فراهم کنند.

تعیین طول ترموول

طول نفوذ (insertion length) ترموول به فاصله کانکشن فرایندی ترموول تا نوک آن می‌گویند. برای دستیابی به بیشترین دقت ممکن، طول نفوذ باید به اندازه‌ایی باشد که به کل قسمت حساس به دما سنسور اندازه‌گیری اجازه دهد تا کاملا در سیال تحت اندازه‌گیری قرار بگیرد. هنگام اندازه‌گیری دمای مایعات با سنسور دما، دستگاه باید به اندازه طول بخش حساس به دما به اضافه حداقل یک اینچ به داخل محلول غوطه‌ور شود. برای گاز یا هوا، باید طول بخش حساس به دما به اضافه سه اینچ اضافی در سیال کشیده شود. بخش حساس به دما یک ترموکوپل یا ترمیستور کوتاه است. بنابراین، می‌توان برای آن‌ها از یک ترموول با طول کوتاه‌تر استفاده کرد. بخش حساس به دما در ترمومترهای بی‌متال، RTD و ترمومترهای مایع در شیشه بین ۱ تا ۲ اینچ است و برای دقت قابل قبول باید حداقل 2½ اینچ در مایع غوطه ور شود.

اگر اندازه

را مانند تصویر زیر در نظر بگیریم، آنگاه بر اساس سایز لوله، اندازه قسمت u را می‌توان از جدول زیر تعیین کرد.

حال اگر فرض کنیم لوله سایز ۴ اینچ باشد، با توجه به جدول فوق، باید از ترموول با طول ۲۲۰ میلی‌متر استفاده کنیم. فرض کنیم طول قسمت A یا T که مربوط به projection nozzel  است، ۱۵۰ میلی‌متر باشد. تفاضل این دو برابر است با:

۲۲۰ – ۱۵۰ = ۷۰

همان طور که در ابتدا بیان کردیم، ترموول باید در ۱/۳ میانی پایپ قرار بگیرد. لوله ۴ اینچ تقریبا برابر با ۱۰۰ میلی‌متر است. پس داریم:

۱۰۰/۳  < ۷۰ <  ۲۰۰/۳

در نتیجه اندازه‌ها صحیح است. نکته‌ای که در اینجا باید به آن توجه کنیم این است که برای نصب ترموول، تمام لوله‌های زیر ۴ اینچ حتما باید توسط واحد مربوطه به ۴ اینچ گسترش یابند. طول قسمت A نیزتابعی از ضخامت فلنج است. واضح است که هرچه کلاس فشار فلنج بالاتر باشد، ضخیم‌تر و در نتیجه A بزرگ‌تر است. برای کلاس‌های #۳۰۰ و #۶۰۰ طول A برابر با ۷۵mm، برای کلاس‌های #۹۰۰ و #۱۵۰۰ برابر با ۸۵mm و برای کلاس #۲۵۰۰ طول A برابر با ۱۰۰mm است.

محل نصب ترموول

برای نصب ترموول باید به ۲ نکته مهم توجه کرد. اولین مورد اینکه سطح بیشتری از ترموول در معرض سیال قرار بگیرد و دومین مورد اینکه موجب ایجاد کمترین تلاطم و ورتکس شود. بر همین اساس، بهترین موقعیت برای نصب ترموول در زانویی‌ها، در حالتی است که ترموول موازی با لوله قبل از زانو (با توجه به جهت حرکت سیال) و نوک ترموول در بالادست زانو قرار بگیرد. این موقعیت در تصویر زیر نشان داده شده است و نسبت به سایر موقعیت‌های ممکن، هم بیشترین سطح ترموول را در معرض سیال قرار می‌دهد و هم کمترین ورتکس ایجاد می‌شود. اگر لوله افقی باشد بهتر است ترموول با زاویه ۴۵ درجه نصب شود. اما در لوله‌های عمودی با زاویه ۶۰ درجه برای خوانایی بهتر نصب می‌شود.

سایز سوراخ (Bore) ترموول‌ها

در فرآیندهایی که از چندین نوع سنسور اندازه‌گیری دما استفاده می شود، انتخاب یک اندازه سوراخ استاندارد انعطاف‌پذیری بیشتری را ایجاد می‌کند. همچنین این امکان را فراهم می‌کند که از یک ترموول برای ترموکوپل، RTD و ترمومتر بی‌متال یا آزمایشگاهی استفاده شود. این اندازه‌های استاندارد متداول‌ترین دستگاه‌های سنجش دما را در خود جای می‌دهند و شامل موارد زیر می‌شوند:

قطر سوراخ ۰.۲۶ اینچ:
ترمومترهای بی‌متال ساقه‌ای ۱/۴ اینچ
ترموکوپل گیج #20 مایع بدون زره در ترمومترهای شیشه‌ای تست سایر دستگاه‌ها با حداکثر قطر ۰.۲۵ اینچ.

قطر سوراخ ۰.۳۸۵ اینچ:
ترموکوپل گیج #14 مایع زرهی در ترمومترهای شیشه‌ای تست سایر دستگاه‌ها با حداکثر قطر ۰.۳۵ اینچ.

انتخاب جنس مواد ترموول

انتخاب مواد مناسب برای طول عمر بالای یک ترموول بسیار مهم است. نوع ماده شیمیایی، دما و سرعت فلو سیالی که ترموول در معرض آن قرار می‌گیرد باید هنگام تعیین جنس ماده در نظر گرفته شود. اثرات خورنده مواد شیمیایی در غلظت‌ها و دماهای بالاتر افزایش می‌یابد. علاوه بر این، ذرات معلق در مایع می‌توانند باعث فرسایش شوند. لیست ادامه شامل برخی از مواد متداول برای ساخت ترموول است:

• کربن استیل
• فولاد کروم/مولیبدن
• Socket Weld
• فولاد ضد زنگ
• Incoloy
• Inconel
• Monel
• Hastelloy
• آلیاژ هاینز
• تیتانیوم

کربن استیل مقاومت کمی در برابر مواد خورنده دارد و به کاربردهایی با دما و فشار پایین محدود می‌شود. متداول ترین ماده برای ترموول‌ها فولاد ضد زنگ است. ترموول فولادی ضد زنگ مقرون به صرفه است و در برابر حرارت و خوردگی بسیار مقاوم است. فولاد کروم/مولیبدن یک فولاد ضد زنگ با استحکام بالا است که برای مخازن تحت فشار استفاده می‌شود. افزودن مولیبدن مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد. آلیاژ هاینز از کبالت، نیکل، کروم و تنگستن تشکیل شده است. اغلب برای سولفید کردن، carburising و محیط‌های حاوی کلر استفاده می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:

رفرکتومتر دیجیتال یا بریکس متر

سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر

سنسور RTD چیست؟

ترموکوپل چیست؟

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

​منبع