هیچ محصولی در سبد خرید نیست.
آموزش ترموکوپل
فرسودگی و رانش در ترموکوپل‌های نوع K
26
بهمن
بهمن
با قراردادن مکرر در معرض دماهای بالا، دقت ترموکوپل نوع K پایین می‌آید. فرسودگی پدیده‌ای است که منجر به دمای خوانده‌شده‌ی بالاتر از دقیق می‌شود، در حالی که رانش منجر به خواندن‌های پایین‌تر از دقیق می‌شود. در حالی که تمام ترموکوپل‌های نوع K فرسودگی و رانش را تجربه می‌کنند، بهترین تمرین‌ها می‌توانند خطرات را به حداقل برسانند و طول عمر ترموکوپل را بیشتر کنند.
ترموکوپل‌های نوع K قابل اعتماد، بادوام، و ارزان‌قیمت بطور رایج در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترموکوپل نوع K عایق‌شده با مواد معدنی استاندارد (MI) دارای سه فلز است که همه‌ی آنها بر فرسودگی و رانش آن تاثیر می‌گذارند.
در این نوع ترموکوپل، رسانای مثبت از کرومل (آلیاژی از نیکل و کرومیوم) و رسانای منفی از آلومل (آلیاژی از نیکل، منگنز، سیلیسیم و آلومینیوم) ساخته شده‌است. سومین فلز، پوشش محافظ است، که اغلب از استیل بدون زنگ یا آلیاژهای مشابه، آلیاژهای نیکل، یا یک آلیاژ نیکل اثرناپذیر ساخته می‌شود.
فرسودگی و رانش اغلب بصورت تعویضی مورد استفاده قرار می‌گیرند، وقتی در مورد اینکه چگونه خروجی ترموکوپل بعنوان پاسخ دما و حرکت در طول زمان کم‌دقت‌تر می‌شود صحبت می‌کنیم. برای هدف این مقاله، فرسودگی در ترموکوپل نوع K پدیده‌ای است که بین ۶۰۰ oF (316 oC) و ۱,۲۰۰ oF (649 oC) اتفاق می‌افتد. فرسودگی منجر به افزایش کوچکی در دمای خوانده‌شده‌ی یک حسگر می‌شود. همچنین برای هدف این مقاله، رانش در ترموکوپل‌های نوع K پدیده‌ای است که در دمای بالاتر از ۱,۲۰۰ oF (649 oC) اتفاق می‌افتد و می‌تواند منجر به کاهش قابل توجهی در دمای خوانده‌شده شود.
فرسودگی و ترتیب بازه‌ی کوتاه در ترموکوپل نوع K
در زیر دمای کوری، چرخش‌های مغناطیسی همسایه، در یک فرومغناطیس تراز (همجهت) می‌شوند، حتی اگر هیچ میدان مغناطیسی‌ای وجود نداشته باشد.
ترتیب بازه‌ی کوتاه (SRO)، یک وضعیت ماده است که در آن اتم‌ها بطور منظم و قابل پیش‌بینی کنار هم در یک فاصله‌ی کوتاه قرار می‌گیرند. برای فلزهای فرومغناطیس و ضد فرومغناطیس، SRO به بی‌نظمی چرخش‌های الکترون‌ها از وضعیت تراز (همه بسمت شمال مغناطیسی) به جهت‌گیری تصادفی (به مقدار کم) اشاره دارد. این مشخصه‌ی متالورژیکی (ذوب فلز شناسی) فارغ از اندازه‌ی سیم، تولیدکننده‌ی سیم‌های ترموکوپل، یا تولیدکننده‌ی کابل MIMS (کابل دارای روکش فلزی عایق‌شده با مواد معدنی) تکمیل‌شده، که اغلب به آن TI دارای روکش فلزی می‌گویند، بر ترموکوپل‌های نوع K تاثیر می‌گذارد.
بالاتر از دمای کوری، چرخش‌های مغناطیسی بطور تصادفی با هم تراز می‌شوند، مگر اینکه یک میدان مغناطیسی اعمال شود.
مشخصه‌ی فرسودگی، یک بی‌نظمی مغناطیسی در ساختار فلز است، که می‌تواند منجر به جابه‌جایی‌های کوچک در دمای خوانده‌شده‌ی ترموکوپل شود. نیکل موجود در رساناها مغناطیسی است. وقتی که نیکل به دمای کوری خود، یعنی ۶۶۹ oF (354 oC) می‌رسد، ویژگی‌های مغناطیسی آن شروع به تغییرکردن یا ضعیف‌شدن می‌کنند، که این امر بر اختلاف ولتاژ تولیدشده توسط پیوند فلزهای نامشابه تاثیر می‌گذارد.
ترتیب بازه‌ی کوتاه در یک بازه‌ی دمایی ۶۰۰-۹۰۰ oF (316-482 oC) اتفاق می‌افتد. این اتفاق در درجه‌ی پایین‌تری نیز در بازه‌ی ۹۰۰-۱,۲۰۰ oF (482-649 oC) می‌افتد. این جابه‌جایی می‌تواند توسط یک گام تاب‌کاری در دمای تقریبا ۱,۶۰۰-۱,۶۵۰ oF (871-899 oC) تصحیح شود، اما باز هم شاخصی خواهد بود مبنی بر اینکه این یک مشخصه از آلیاژهای سیم نوع K است. مقدار جابه‌جایی با چند اتفاق که منجر به SRO می‌شوند کاهش میابد، و حداکثر انحراف دمای عادی اساسا برابر با +۵ oF تا +۶ oF است.
در زیر مثالی از یک پیشرفت معمولی از جابه‌جایی‌های مورد انتظار در دمای خوانده‌شده برای یک ترموکوپل نوع K با پوشش تاب‌کاری‌شده آورده شده‌است.
۱٫ وضعیت شروع: دمای خوانده‌شده‌ی ترموکوپل عادی است که از طریق مقایسه‌کردن با یک پروب مرجع بسیار دقیق (در یک حمام با دمای کنترل‌شده) تایید شده‌است. دمای خوانده‌شده ۷۰۰ oF (371.1 oC) است.
۲٫ این ترموکوپل یا دقیقا در ۷۰۰ oF بکار گرفته‌شده‌است یا دقیقا در ۷۰۰oF در همان حمام درجه‌بندی برده شده‌است. بخاطر ترتیب بازه‌ی کوتاه، دمای خوانده‌شده‌ی جدید ۷۰۲ oF (372.2 oC) است، یعنی یک افزایش بمقدار ۲oF.
۳٫ این ترموکوپل، کاهش خاصیت مغناطیسی را تجربه می‌کند و در حال فرسوده‌شدن است. وقتی این ترموکوپل بکار گرفته‌شود (دقیقا در ۷۰۰ oF) یا به همان حمام درجه‌بندی برگردانده‌شود، دمای خوانده‌شده‌ی جدید، ۷۰۳٫۳ oF (373 oC) می‌شود، افزایشی برابر با ۱٫۵ oF.
۴٫ گام ۳ تکرار می‌شود. دمای خوانده‌شده‌ی جدید برابر با ۷۰۴٫۵ oF (373.6 oC) است، افزایشی معادل ۱ oF.
۵٫ گام ۴ تکرار می‌شود. دمای خوانده‌شده‌ی جدید ۷۰۵ oF (373.9 oC) است، افزایشی برابر با ۰٫۵ oF. بعد از این لحظه، هر جابه‌جایی‌ای در دمای خوانده‌شده بسیار کوچک خواهد بود. بالای ۱,۲۰۰ oF (649 oC)، جابه‌جایی در دمای خوانده‌شده به آرامی به درجه‌بندی اصلی باز می‌گردد و اصلاح می‌شود.
انواع دیگر ترموکوپل‌ها SRO را نیز تجربه کرده و بنابراین، یک جابه‌جایی رو به بالا در خروجی دما را تجربه می‌کنند. بعنوان مثال در یک ترموکوپل نوع J، یک سیم رسانا، آهنی است، که وقتی به دمای کوری خود، یعنی ۱,۴۱۸ oF (770 oC) می‌رسد شروع به فرسوده‌شدن می‌کند.
رانش ترموکوپل چیست؟
رانش اساسا یک جابه‌جایی رو به پایین در دمای خوانده‌شده‌ی ترموکوپل است و می‌تواند نتیجه‌ی چند پدیده‌ی متفاوت باشد. رانش به کاهش‌دادن دمای خوانده‌شده ادامه می‌دهد و ممکن است حتی منجر به شکست ترموکوپل شود. بطور عادی، این شکست در یک کاهش انحراف ۲۵ oF از دمای اصلی یا قبل از آن اتفاق می‌افتد.
پدیده‌ی متالورژی درگیر با رانش می‌تواند به موارد زیر تفکیک شود:
- اصلاحات سطح، که به تغییرات مبدل‌های حرارتی ناشی از تعاملات بین مبدل‌های حرارتی و محیط اطراف مبدل‌های حرارتی مربوط می‌شوند.
- اصلاحات حجمی، که به تغییرات حجم مبدل‌های حرارتی مربوط می‌شوند.
اصلاحات سطحی می‌توانند بعنوان موارد زیر ظاهر شوند:
- اکسیداسیون (پیکربندی‌های سیم لخت)
- استهلاک المان‌ها از مبدل‌های حرارتی (پیکربندی سیم لخت/MMIS)
- آلایش از محیط (پیکربندی سیم لخت/MMIS)
- تعامل با عایق (پیکربندی MMIS)
- تعامل با روکش (پیکربندی MMIS)
در میان اصلاحات حجمی، پدیده‌های زیر می‌توانند مشاهده شوند:
- تغییرشکل‌های فاز
- رشد دانه‌ای
- کرنش باقیمانده و نابودی جابه‌جایی
- تبلور مجدد
برای سامانه‌های ترموکوپل، بویژه آنهایی که در گرم‌کننده‌های گازی قرار داده شده‌اند، این امکان وجود دارد که هم فرسودگی را تجربه کنند، هم رانش. با این حال، پیش‌بینی اثرات واقعی روی سامانه‌های ترموکوپل را که شیب حرارتی را بعنوان بخشی از عملیات عادیشان تجربه می‌کنند، بسیار سخت یا حتی غیرممکن است.
چگونه فرسودگی و رانش را در یک ترموکوپل نوع K به حداقل برسانیم
در بسیاری از گرم‌کننده‌های گازی، دمای پوسته‌ی تیوب (Tubeskin) زیر ۱,۲۰۰ oF (1,093 oC) –ناحیه‌ی فرسودگی- است، در حالی که گاز دودکش بالای ۲,۰۰۰ oF (1,093 oC) –ناحیه‌ی رانش- است. فرسودگی قابل پیش‌بینی است، در حالی که رانش کمتر قابل پیش‌بینی است، آسیب‌رسان‌تر است، و منجر به شکست سامانه می‌شود.
در زیر برخی از بهترین فعالیت‌ها درباره‌ی گرم‌کننده‌ها برای ترموکوپل پوسته‌ی تیوب (TSTC) آمده است:
- به حداقل رساندن مقدار گرمای تابشی/همرفتی روی ترموکوپل. بعبارتی دیگر، سعی در اجرای ترموکوپل روی خنک‌ترین بخش تیوب. برای طراحی‌های آتش‌زده‌ی دوگانه (Duble-Fired)، این ممکن است نیمه‌راه در اطراف باشد تا اینکه روی یک طرف یا طرفی دیگر باشد.
- طراحی‌های متعادل روکش‌دار به تبدیل حرارت تابشی/همرفتی به حرارت رسانایی کمک می‌کنند.
- تا جای ممکن TSTC را در اتصال نزدیک با تیوب نگه داریم. این امر وقتی تیوب تبدیل به یک جاذب گرما می‌شود بسیار مهم می‌شود. مقادیر کافی برش‌ها باید مورد استفاده قرار گیرد تا از شکاف جلوگیری کند. هر شکافی تیوب را به دماهای گاز دودکش نزدیک‌تر می‌کند، که یک ترموکوپل را در ناحیه‌ی رانش قرار می‌دهد و در نهایت به حسگر آسیب وارد می‌کند.
- هر مسیریابی خارج از تیوب را به حداقل رسانده یا حذف کنیم. ترجیح بر این است که TSTC را در طول تیوب تا یک خروج در کنار تیوب اجرا کنیم، تا اینکه پرش‌های گسترش‌یافته‌ای از تیوب به خروج از دیوار عمود بر تیوب داشته باشیم. بسته‌های فیبر سرامیک مانند Kaowool موانع خوبی برای جلوگیری از مشکلات شار مربوط به خاکستر (Ash-Related) هستند، اما بسته‌ها ترموکوپل را خنک نگه نمی‌دارند و یک حسگر را بیرون از منطقه‌ی رانش که در آن پرش‌های بلند به بیرون از تیوب وجود دارد نگه نمی‌دارند.
- خروجی‌های پیستون‌شکل به سیم‌پیچ‌های انبساطی ترجیح داده می‌شوند. خم‌شدن، احتمال رانش را افزایش می‌دهد، و خروجی‌های پیستون‌شکل می‌توانند این خطر را به حداقل رسانده یا از بین ببرند. این بطور ویژه برای کوره‌های با جابه‌جایی زیاد، مانند کک‌سازها مهم است که از خروجی‌های پیستون‌شکل در هرجا که ممکن باشد استفاده شود.
- اگر یک خروجی پیستون‌شکل ممکن نیست، با استفاده از سیم‌پیچ‌های انبساط کوچک جبران کنید. از آنجایی که ماده‌ی اضافی بعنوان فضای سطحی بیشتر عمل می‌کند تا حرارت را جذب کند، مهم است که اندازه‌ی سیم‌پیچ‌ها را به حداقل رسانده و تا جای ممکن مواد در فضاهایی که در معرض حرارت تابشی/همرفتی نیستند پنهان کنیم. اغلب اوقات سه یا چهار سیم‌پیچ کوچک به یک حلقه‌ی بزرگ ترجیح داده می‌شوند.
- از حرارت بعنوان پدیده‌ای در زمان انتخاب روکش استفاده کنیم. وقتی از حرارت تیوب برای تعیین‌کردن اینکه اگر یک مسیریابی زیربهینه با پرش‌های تیوبی بلند در حال استفاده‌شدن است دقت کنید. ارتقادادن به یک I600 یا یک روکش Pyrocil D می‌تواند در به حداقل‌رساندن – نه حذف‌کردن – رانش کمک کند و منجر به افزایش طول عمر ترموکوپل شود.
در این تصویر، مستطیل سبز، مکان‌هایی را نشان می‌دهد که بطور عادی در معرض فرسایش هستند. مستطیل قرمز مکان‌هایی را نشان می‌دهد که می‌توانند در معرض رانش، و درنتیجه آسیب به ترموکوپل باشند.
فرسایش و رانش بخاطر ویژگی‌های فلزهای استفاده‌شده در ترموکوپل نوع K اتفاق می‌افتند. در حال حاضر، ممکن نیست که یک ترموکوپل بدون فرسایش یا بدون رانش بسازیم. با این حال، دانشمندان مواد مانند پروفسور Catherine Rae، دکتر Michele Scervini بطور فعال بر روی اصلاحات متالورژی کار می‌کنند تا نسخه‌هایی با رانش کاهش‌یافته از ترموکوپل‌های نوع K و انواع دیگر ترموکوپل بسازند.
این مقاله، نوشته‌ی Scervini در مورد رانش، علت وقوع آن، و تغییرات متالورژی فعال‌شده با حرارت بطور مفصل صحبت می‌کند. این مقاله (Scervini و Rae 2013)، که در ژورنال مهندسی برای توربین‌های گازی و توان منتشر شده‌است، در مورد یک ترموکوپل MIMS مبتنی بر نیکل تقویت‌شده برای کاربردهای توربین گازی با حرارت بالا بحث می‌کند.
این دما که به آن نقطه‌ی کوری نیز می‌گویند (برگرفته از اسم پیر کوری)، دمایی است که در آن مواد مغناطیسی معین در معرض یک تغییر شدید در ویژگی‌های مغناطیسیشان می‌شوند. در زیر نقطه‌ی کوری، اتم‌هایی که بعنوان مواد مغناطیسی کوچک رفتار می‌کنند، خود را در مواد مغناطیسی معین تراز می‌کنند. در مواد فرومغناطیس، مغناطیس‌های اتمی در هر ناحیه‌ی میکروسکوپی دارای یک جهت‌گیری هستند، تا درنتیجه میدان‌های مغناطیسیشان همدیگر را تقویت کنند. در مواد ضد فرومغناطیس، مغناطیس‌های اتمی در جهت‌های خلاف هم جابه‌جا می‌شوند تا درنتیجه میدان‌های مغناطیسیشان همدیگر را خنثی کنند. در مواد فرومغناطیس، آرایش خودبه‌خودی، ترکیبی از هردوی الگوهاست، که معمولا با دو نوع اتم مغناطیسی متفاوت درگیر است، تا تنها تقویت جزئی میدان‌های مغناطیسی اتفاق بیفتد. افزایش‌دادن حرارت تا نقطه‌ی کوری برای هرکدام از مواد در این سه دسته، بطور کامل آرایش‌های خودبه‌خود مختلف را مختل می‌کند، و تنها یک نوع ضعیف از رفتار مغناطیسی عادی‌تر، که به آن پارامغناطیسی می‌گویند باقی می‌ماند.
