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淺析異型耐磨熱電偶/熱電阻套管的設(shè)計(jì)理論摘 要： 在對熱電偶/熱電阻保護(hù)套管在實(shí)際應(yīng)用中的受力情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出低阻力、高強(qiáng)度、耐磨的流線型熱電偶/熱電阻套管設(shè)計(jì)方案。流線型套管的迎流側(cè)是流線型水滴形或流線型彈頭形，背流側(cè)則是迎流側(cè)的對稱形、圓形或齊平形等，可以實(shí)現(xiàn)套管在流體中的阻力和摩擦力最小。背流側(cè)與迎流側(cè)是對稱形的流線型套管，還包括一個(gè)帶安裝方向指示器的過程連接件，實(shí)際應(yīng)用中可以在使用一段時(shí)間后，按照方向指示調(diào)換安裝方向，現(xiàn)一根套管相當(dāng)于兩根套管的使用效果，使套管的實(shí)際使用壽命比同材質(zhì)圓形套管的壽命長兩倍以上。 工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域目前大量使用熱電偶和熱電阻，無論是傳統(tǒng)產(chǎn)品還是各種各樣的耐磨專利產(chǎn)品，其保護(hù)套管外形全部是圓形或是根部較粗前部較細(xì)略帶錐度的圓錐形。這種外形結(jié)構(gòu)的保護(hù)套管加工方法簡單，相應(yīng)的制造成本低廉，但是在工業(yè)現(xiàn)場安裝使用于管道或設(shè)備內(nèi)時(shí)，其阻力大、強(qiáng)度低、不耐沖刷和磨損，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(yè)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(dòng)量。為此，許多專業(yè)人士一直在對熱電偶/熱電阻保護(hù)套管的高強(qiáng)度和耐磨性進(jìn)行研究，但是幾乎全部局限于對材質(zhì)的選擇和對特種材料配方的研究，而選用的材料材質(zhì)越特殊，其制造成本就越高，盡管制造出來的熱電偶/熱電阻保護(hù)套管有一定的耐磨效果，但效果還不是很理想。保護(hù)套管在安裝應(yīng)用時(shí)，迎流側(cè)、前端部、保護(hù)套管與管壁的交接處和套管根部磨損最為嚴(yán)重。 1 保護(hù)套管在流體中的受力分析 一種使用效果較好的特殊材料制成的套管專利產(chǎn)品在使用一段時(shí)間后的磨損如圖 1 所示。保護(hù)套管損壞主要是因?yàn)樘坠茉谑褂弥幸蜉^高溫度、較強(qiáng)腐蝕和介質(zhì)沖刷造成的損壞，主要表現(xiàn)在斷裂和磨損泄漏。造成套管損壞的外力主要是介質(zhì)對套管的摩擦阻力和壓差阻力，根據(jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，繞流物體對流體的阻力和流體作用于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 究繞流物體對于流體的阻力。 摩擦阻力來源于物面粘性切應(yīng)力的合力，壓差阻力是物面上壓力的合力在流動(dòng)方向上的分量。一般說來，當(dāng)流體流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，流動(dòng)尚未發(fā)生分離，總阻力主要表現(xiàn)為摩擦阻力，這是造成套管損壞的主要力;當(dāng)流動(dòng)開始發(fā)生分離，但分離較小，且流動(dòng)仍處于層流狀態(tài)時(shí)，這時(shí)摩擦阻力和壓差阻力具有同等重要性;隨著流動(dòng)分離的加劇，壓差阻力越來越占主導(dǎo)地位。 2 流線型保護(hù)套管的設(shè)計(jì)理論 根據(jù)流體力學(xué)，各種繞流現(xiàn)象與相應(yīng)的阻力系數(shù) C D 見表 1。各種物型的阻力系數(shù)中，非流線型物體的阻力系數(shù)試驗(yàn)值的結(jié)果是:圓柱和半管二元物型的阻力系數(shù)是 1． 20，方形柱的阻力系數(shù)是 2． 00，橢柱的阻力系數(shù)是 0． 20 ～ 0． 46。據(jù)此，傳統(tǒng)圓柱形套管的阻力系數(shù)較高，而接近于流線 型的橢柱阻力系數(shù)較低。根據(jù)表 1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，二元物型的阻力系數(shù)主要決定于迎流側(cè)的形狀和尺寸，如圓柱、半管、方柱及平板等迎流側(cè)幾何形體一樣，阻力系數(shù)基本相同。那么，是否有比橢柱阻力系數(shù)更小的呢? 橢柱流型變形后的水滴形流線型體在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中所做的阻力測量結(jié)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(guī)律，當(dāng) t/l 減小時(shí)，壓差阻力雖然減小，但摩擦阻力上升更快;當(dāng) t/l增大時(shí)，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，前者的最小阻力系數(shù)只有后者最小阻力系數(shù)的 1/5;當(dāng)流線型體的厚度和弦長之比為 0． 25 時(shí)，流線型體在流體中的摩擦阻力與壓差阻力的合力最小。  3 流線型保護(hù)套管的設(shè)計(jì) 根據(jù)上述理論，設(shè)計(jì)了水滴形流線型保護(hù)套管，套管截面如圖 3 所示。這是理想的流線型設(shè)計(jì)，套管截面外形是前圓后尖，表面光滑，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(jù)不同的目的設(shè)計(jì)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(shí)，t/l 可以取大于 0． 25、小于 0． 25 和等于 0． 25。  但是，按照圖 3 設(shè)計(jì)的套管，制造比較麻煩，因?yàn)橄议L較長時(shí)套管背流側(cè)也會(huì)較長，制造時(shí)浪費(fèi)材料，同時(shí)由于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(jì)，所以可以對理想的水滴形流線型進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)機(jī)翼在風(fēng)洞中的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)速為 210min/h時(shí)，機(jī)翼圓頭朝前時(shí)機(jī)翼的阻力系數(shù)為 1;機(jī)翼尖頭朝前時(shí)，阻力則為前者的兩倍。這是因?yàn)闄C(jī)翼圓頭朝前時(shí)產(chǎn)生的渦流區(qū)遠(yuǎn)小于機(jī)翼尖頭朝前時(shí)的情況?？紤]保留理想的水滴形流線型摩擦阻力最小的特點(diǎn)，以犧牲一部分壓差阻力為代價(jià)，設(shè)計(jì)套管插入設(shè)備或管道內(nèi)部的迎流側(cè)是流線型水滴形或流線型彈頭形，而背流側(cè)可以是與迎流側(cè)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后，仍然可以保證摩擦阻力最小，同時(shí)沿流向方向套管的機(jī)械強(qiáng)度比傳統(tǒng)圓形套管要高得多。并且迎流側(cè)采用流線型設(shè)計(jì)，還能使套管在使用中的繞流阻力系數(shù)比其他套管形狀(如常規(guī)的圓形)要小，從而達(dá)到阻力最小、摩擦力也最小、使用壽命相應(yīng)延長的效果。 目前，傳統(tǒng)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(xì)略帶錐度的錐形等形狀，流線型套管設(shè)計(jì)也可以做到這一點(diǎn)。 4 流線型保護(hù)套管的安裝使用 按照上述形狀設(shè)計(jì)的保護(hù)套管，在背流側(cè)與迎流側(cè)采用對稱的幾何形狀時(shí)，可以在套管的過程連接螺紋或法蘭處做一方向指示標(biāo)記，在新安裝套管時(shí)按照方向指示確定套管安裝方向。在一支套管使用一段時(shí)間后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累估計(jì)迎流側(cè)磨損較嚴(yán)重時(shí)，可以按照方向指示，對調(diào)背流側(cè)與迎流側(cè)的相對位置，這樣可以把一支耐磨套管當(dāng)成兩支使用，使一只套管的實(shí)際壽命再延長一倍。方向指示標(biāo)記可以是附著于過程連接件上的突出物、凹槽、刻劃線及箭頭等，方向指示標(biāo)記設(shè)計(jì)如圖 5 所示。 5 結(jié)束語 筆者介紹了流線型低阻力高強(qiáng)度耐磨熱電偶/熱電阻套管的設(shè)計(jì)方法，采用受力最小的流線型設(shè)計(jì)，以降低套管磨損。而且，相同材質(zhì)的圓形設(shè)計(jì)套管的阻力系數(shù)是流線型套管阻力系數(shù)的2． 61倍，再加上對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一只流線型套管的 使用壽命是同材質(zhì)圓形套管的兩倍以上。
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