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耐磨熱電偶

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研究異型耐磨熱電偶/熱電阻套管的設計理論

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2017-09-28 10:10:11

 摘 要 在對熱電偶/熱電阻保護套管在實際應用中的受力情況進行分析的基礎上,提出低阻力、高強度、耐磨的流線型熱電偶/熱電阻套管設計方案。流線型套管的迎流側是流線型水滴形或流線型彈頭形,背流側則是迎流側的對稱形、圓形或齊平形等,可以實現套管在流體中的阻力和摩擦力最小。背流側與迎流側是對稱形的流線型套管,還包括一個帶安裝方向指示器的過程連接件,實際應用中可以在使用一段時間後,按照方向指示調換安裝方向,現一根套管相當於兩根套管的使用效果,使套管的實際使用壽命比同材質圓形套管的壽命長兩倍以上。

 
        工業自動化領域目前大量使用熱電偶和熱電阻,無論是傳統產品還是各種各樣的耐磨專利產品,其保護套管外形全部是圓形或是根部較粗前部較細略帶錐度的圓錐形。這種外形結構的保護套管加工方法簡單,相應的製造成本低廉,但是在工業現場安裝使用於管道或設備內時,其阻力大、強度低、不耐衝刷和磨損,在流速較高的場合套管根部還容易斷裂,所以使用壽命短。這不但給工礦企業增加購置成本和停車更換的成本,而且增加了維修工的勞動量。為此,許多專業人士一直在對熱電偶/熱電阻保護套管的高強度和耐磨性進行研究,但是幾乎全部局限於對材質的選擇和對特種材料配方的研究,而選用的材料材質越特殊,其製造成本就越高,盡管製造出來的熱電偶/熱電阻保護套管有一定的耐磨效果,但效果還不是很理想。保護套管在安裝應用時,迎流側、前端部、保護套管與管壁的交接處和套管根部磨損最為嚴重。
 
1 保護套管在流體中的受力分析
 
        一種使用效果較好的特殊材料製成的套管專利產品在使用一段時間後的磨損如圖 1 所示。保護套管損壞主要是因為套管在使用中因較高溫度、較強腐蝕和介質衝刷造成的損壞,主要表現在斷裂和磨損泄漏。造成套管損壞的外力主要是介質對套管的摩擦阻力和壓差阻力,根據牛頓第三運動定律,繞流物體對流體的阻力和流體作用於物體的力大小相等方向相反,所以研究造成套管損壞的摩擦阻力和壓差阻力,可以等效為研
究繞流物體對於流體的阻力。
磨損並變形的套管外形
        摩擦阻力來源於物麵粘性切應力的合力,壓差阻力是物麵上壓力的合力在流動方向上的分量。一般說來,當流體流動處於層流狀態時,流動尚未發生分離,總阻力主要表現為摩擦阻力,這是造成套管損壞的主要力;當流動開始發生分離,但分離較小,且流動仍處於層流狀態時,這時摩擦阻力和壓差阻力具有同等重要性;隨著流動分離的加劇,壓差阻力越來越占主導地位。
 
2 流線型保護套管的設計理論
        根據流體力學,各種繞流現象與相應的阻力係數 C D 見表 1。各種物型的阻力係數中,非流線型物體的阻力係數試驗值的結果是:圓柱和半管二元物型的阻力係數是 1. 20,方形柱的阻力係數是 2. 00,橢柱的阻力係數是 0. 20 ~ 0. 46。據此,傳統圓柱形套管的阻力係數較高,而接近於流線
型的橢柱阻力係數較低。根據表 1 中的試驗數據還可以看出,二元物型的阻力係數主要決定於迎流側的形狀和尺寸,如圓柱、半管、方柱及平板等迎流側幾何形體一樣,阻力係數基本相同。那麽,是否有比橢柱阻力係數更小的呢?
不同物型的阻力係數
        橢柱流型變形後的水滴形流線型體在風洞實驗中所做的阻力測量結果如圖 2 所示,t 表示水滴形流線型體的厚度,l 為弦長。分別考察摩擦阻力、壓差阻力和總阻力的變化規律,當 t/l 減小時,壓差阻力雖然減小,但摩擦阻力上升更快;當 t/l增大時,摩擦阻力減小,但壓差阻力急劇上升。兩者均使總阻力增大。將水滴形流線型體與相同厚度的圓柱體相比,前者的最小阻力係數隻有後者最小阻力係數的 1/5;當流線型體的厚度和弦長之比為 0. 25 時,流線型體在流體中的摩擦阻力與壓差阻力的合力最小。
水滴形流線型體在風洞實驗中 所做的阻力測量結果
3 流線型保護套管的設計
        根據上述理論,設計了水滴形流線型保護套管,套管截麵如圖 3 所示。這是理想的流線型設計,套管截麵外形是前圓後尖,表麵光滑,略像水滴形狀的流線型,流線型套管的厚度和弦長的最佳比值為 0. 25。參考圖 2 中的曲線,可以根據不同的目的設計具體的 t/l 值,如需分別降低摩擦阻力、壓差阻力和總阻力時,t/l 可以取大於 0. 25、小於 0. 25 和等於 0. 25。
水滴形流線型保護套管截麵
        但是,按照圖 3 設計的套管,製造比較麻煩,因為弦長較長時套管背流側也會較長,製造時浪費材料,同時由於單位長度的重量較大,也給安裝使用帶來諸多不便。
 
       考慮到熱電偶/熱電阻的使用目的,耐磨是最主要的性能之一,對流體的阻力可以忽略不計,所以可以對理想的水滴形流線型進行優化。根據機翼在風洞中的實驗,當風速為 210min/h時,機翼圓頭朝前時機翼的阻力係數為 1;機翼尖頭朝前時,阻力則為前者的兩倍。這是因為機翼圓頭朝前時產生的渦流區遠小於機翼尖頭朝前時的情況。考慮保留理想的水滴形流線型摩擦阻力最小的特點,以犧牲一部分壓差阻力為代價,設計套管插入設備或管道內部的迎流側是流線型水滴形或流線型彈頭形,而背流側可以是與迎流側呈對稱的幾何形狀,也可以是其他光滑線型或者平頭形狀,如圓形、橢圓形、齊平形及拋物線形等,如圖 4 所示。這樣在犧牲一部分壓差阻力對套管的影響後,仍然可以保證摩擦阻力最小,同時沿流向方向套管的機械強度比傳統圓形套管要高得多。並且迎流側采用流線型設計,還能使套管在使用中的繞流阻力係數比其他套管形狀(如常規的圓形)要小,從而達到阻力最小、摩擦力也最小、使用壽命相應延長的效果。
 
目前,傳統圓柱形套管為了各種需要,有軸向等徑形或根部較粗前端部較細略帶錐度的錐形等形狀,流線型套管設計也可以做到這一點。
 
4 流線型保護套管的安裝使用
        按照上述形狀設計的保護套管,在背流側與迎流側采用對稱的幾何形狀時,可以在套管的過程連接螺紋或法蘭處做一方向指示標記,在新安裝套管時按照方向指示確定套管安裝方向。在一支套管使用一段時間後,根據經驗積累估計迎流側磨損較嚴重時,可以按照方向指示,對調背流側與迎流側的相對位置,這樣可以把一支耐磨套管當成兩支使用,使一隻套管的實際壽命再延長一倍。方向指示標記可以是附著於過程連接件上的突出物、凹槽、刻劃線及箭頭等,方向指示標記設計如圖 5 所示。
 
5 結束語
        筆者介紹了流線型低阻力高強度耐磨熱電偶/熱電阻套管的設計方法,采用受力最小的流線型設計,以降低套管磨損。而且,相同材質的圓形設計套管的阻力係數是流線型套管阻力係數的2. 61倍,再加上對稱結構設計,一隻流線型套管的
使用壽命是同材質圓形套管的兩倍以上。
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