HUP9903669A2

HUP9903669A2 - Hőmérsékletmérő szonda

Info

Publication number: HUP9903669A2
Application number: HU9903669A
Authority: HU
Inventors: Klaus Hammer; Wilhelm Weber
Original assignee: Basf Aktiengesellschaft
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 2000-02-28
Also published as: JP3811504B2; EP0873501B1; RU2171453C2; KR100441572B1; WO1997025601A1; HUP9903669A3; CN1207809A; ATE216069T1; DE59609074D1; CN1135371C; TW324060B; DE19600822A1; KR19990077160A; US6543934B1; JP2000503119A; EP0873501A1; ES2175173T3

Abstract

A hőmérsékletmérő szőnda különösen jól alkalmazható nagy nyőmásőkkal,magas hőmérsékletekkel és nagy közegáramlási sebességekkel dőlgőzóreaktőrőkban. Tartalmaz egy szőndatestet (1) hengeres fűrattal (2),melybe egy hőelem (3) vagy egy ellenállás-hőmérő helyezhető be, ésennek hőérzékeny csúcsa kinyúlik a szőndatest (1) elülső részéből.Jellemzője, hőgy a szőndatest (1) elülső része el van látva egy gyűrűalakú hézaggal (10), amely kis távőlságban helyezkedik el a hengeresfűrattól (2), a szőnda hősszanti tengelye mentén. ŕ

Description

·::· //¾

66.189/BE íxísr^za^^adaim* Iroda //< ' ^^:sü^ ^^Uc*^ap^st, Andrássy út 113.

fon: 34-24-950, Fax: 34-24-323

Hőmérsékletmérő szonda

A találmány tárgya hőmérsékletmérő szonda, amely tartalmaz egy szondatestet hengeres furattal, melybe hőelem, vagy ellenállás-hőmérő helyezhető be és ennek hőérzékeny csúcsa kinyúlik a szondatest elülső részéből.

Ilyen típusú szondák ismeretesek. Rendszerint hengeres alakúak és elülső végük kúposán elvékonyodó csúcs. A hátsó végüknél csavarmenettel vannak ellátva, amelynek segítségével belecsavarhatóak egy szerelvénybe. Hengeres furatukba önmagában ismert hőelem, előnyösen egy miniatűr, bevonattal ellátott hőelem van behelyezve. Az ilyen hőelemek normál esetben két, különböző fémből lévő maghuzalt tartalmaznak, melyek szigetelő anyagba vannak beágyazva és fémes védőburokkal körülvéve, ahol a bevonat, az alkalmazott szigetelő anyag magnézium-oxid, vagy alumínium-oxid, amely anyagoknak nagy a dielektromos ellenállása. A burkoló anyagok, amiket használnak, rendszerint rozsdamentes acélok. Az alkalmazott maghuzalok szokásosan NiCr-Ni huzalok, melyek össze vannak hegesztve egymással az elülső végnél. 1200°C feletti hőmérsékleteknél platina-ródium-platina hőelemeket is használnak.

A hőelemeket tartalmazó hőmérsékletmérő szondák ezen típusát számos célra alkalmazzák. Probléma merül fel azonban, ha reaktorokban és reaktorcsövekben való hőmérsékletméréshez kell használni, melyek nagy nyomás alatt állnak és melyeknél gyors hőmérséklet-felvétel szükséges. A nagy nyomással jár, hogy a szondatest vastag falakkal kell rendelkezzen, ami robusztus kialakítást tesz szükségessé. Ennek eredménye a viszonylag lassú hőmér sékletváltozás, ami átadódik a hőelem csúcsára. Olyan üzemek, ahol ilyen hőmérsékletmérő szondákat alkalmaznak, például a nagynyomású polietilén-előállító üzemek, amelyekben a reakciót etilén-komprimálással hajtják végre, éspedig 1500 és 3500 bar üzemi nyomáson (1 bar = 10⁵ Pa). Egy ilyen reaktorban körülbelül 40 db hőmérsékletmérő szondát alkalmaznak, aminek az a célja, hogy feltérképezzék a megfelelő hőmérséklet-profilt; a szondatestek általában 8 - 10 mm átmérőjűek. Azon hőelemek átmérője, amiket ezekbe a szondákba behelyeznek, rendszerint körülbelül 2 mm.

Az US-A-4,749,415 számú szabadalmi leírásban olyan hőelemet ismertetnek, amely nagy nyomáson, magas hőmérsékletű folyadékhoz alkalmazható, s amelynek hengeres teste egy fémből van kialakítva, továbbá van egy sapkája, ettől eltérő fémből. A sapka úgy van a testhez olvasztva, hogy ezen kapcsolat tengelyirányú hőelem-kapcsolatot alkot. A sapkában és a testben számos horony van kialakítva, hogy csökkentsék az anyag tömegét a kapcsolódás környezetében, ezáltal gyors hővezetéses hőátadás biztosítható a megfigyelendő folyadék felől. A hornyok alja és nyílása hoszszanti irányban párhuzamosan van elrendezve úgy, hogy a hornyok sugárirányban nyúlnak be a tengely felé. Ez azt eredményezi, hogy megnövelt felület áll rendelkezésre az áramláshoz és ezért megnövekszik a vezetéses hőátadás.

A jelen találmány célkitűzése olyan hőmérsékletmérő szondák létrehozása, melyeket reaktorokban lehet használni, beleértve a reagensek igen nagy nyomásával és magas hőmérsékletével, valamint nagy áramlási sebességével dolgozó reaktorokat, továbbá me

66.189/BE lyek mindemellett képesek a hirtelen hőmérsékletváltozások érzékelésére, detektálására.

Azt találtuk, hogy a célkitűzés a találmány értelmében azáltal valósítható meg, ha a szondatest elülső része el van látva egy gyűrűalakú hézaggal, amely kis távolságban helyezkedik el a hengeres furattól, a szonda hossztengelye mentén.

A gyűrűalakú hézag a lehető legkisebb vastagságú, így rendszerint 0,1 és 0,5 mm közötti, de előnyösebben 0,1 és 0,2 mm közötti a vastagsága. A gyűrűalakú hézag hossza 5 és 20 mm között, előnyösebben 10 és 15 mm között van. A gyűrűalakú hézagot lézersugár segítségével állíthatjuk elő, de előállítható úgy is, ha a szondatest elülső szakaszán legalább egy lépcsős átmérőcsökkenést alakítunk ki, amely csökkentett méretű részre egy sapkát illesztünk, melynek belső átmérője az elülső részén nagyobb, mint a szondatest elülső szakaszáé és ennek eredményeként létrejön a gyűrűalakú hézag. A sapkát rá lehet hegeszteni a szondatestre .

A találmány szerinti szonda különösen alkalmas a hirtelen hőmérséklet-érzékelésre olyan üzemekben, ahol igen nagy nyomásokkal, magas hőmérsékletekkel és áramlási sebességekkel dolgoznak. Ez a helyzet például a kémiai reaktorokban, keverőtartályokban, csőreaktorokban, ezen berendezések adagolóiban és csőcsatlakozásainál. Az ilyen szondákat előnyösen lehet alkalmazni polimerizációs reaktoroknál, mind a gázfázisban, mind a szuperkritikus közegben, például poliolefin előállításánál. Szuszpenzió polimerizálásánál gyűrűs reaktorban, a szondákat ugyancsak előnyösen használhatjuk.

66.189/BE

Általában a nyomástartomány 30-tól 5000 bar-ig, előnyösen 50-től 3500 bar-ig, különösen pedig 1000-től 3500 bar-ig (1 bar = 10⁵ Pa), míg a hőmérsékletek 20°C és 1000°C között, előnyösen 50°C és 500°C között, különösen pedig 100°C és 400°C között vannak. Az áramlási sebességek az 1 - 50 m/mp, előnyösen az 5 - 15 m/mp tartományban vannak.

Az alkalmazott hőelemek miniatűr, bevonatolt hőelemek, különféle kialakítással, előnyösen NiCr-Ni anyagú huzalpárral, melyek az elülső végnél össze vannak hegesztve. Hasonlóképpen alkalmazhatók jelen esetben platina-rodium-platina hőelemek és más, ismert hőelemek is. A hőelemek huzalai elektromosan nemvezető, szigetelőanyagba vannak ágyazva, mint amilyen a magnéziumoxid, vagy az alumínium-oxid és körül vannak véve fémes védőburkolattal. Az elülső végnél a hőelemek egyesítve vannak a burkolattal egy fémes sapka útján. Ennek a sapkának érzéketlennek kell lennie a magas hőmérsékletekkel, nagy nyomással és a létrejövő nagy áramlási sebességekkel szemben. A sapka alakja előnyösen félgömb.

A hőelemek alternatívájaként alkalmazhatóak ellenálláshőmérők, vagy mérő-söntök, platina ellenállás-hőmérők és platina mérő-söntök, melyek különösen előnyösek, például a DIN IEC 751 szabvány szerint. Ezek az ellenállás-hőmérők tartalmaznak egy, a hőmérsékletre érzékeny mérő-söntöt, egy védőburkolatot, belső tápvezetékeket és külső csatlakozásokat az elektromos mérőkészülékekkel való kapcsolódáshoz.

A találmányt a továbbiakban annak példaképpen! kiviteli alakjai kapcsán ismertetjük részletesebben a csatolt rajzok se es . 189/BE gitségével, amelyek közül:

- az 1. ábra ismert kivitelű szondát mutat be reaktor-csőbe szerelten, metszetben;

- a 2. ábrán nagyított léptékben láthatjuk az 1. ábra szerinti szonda elülső részét, metszetben;

- 3. ábránk a találmány szerinti szonda első kiviteli alakját szemlélteti, metszetben;

- a 4. ábrán a találmány szerinti szonda második kiviteli alakja látható, metszetben;

- 5. ábránkon diagramban mutatjuk be a hőmérséklet alakulását az idő függvényében, a 2. ábra szerinti ismert szonda esetében; végül

- 6. ábránk a találmány szerinti szonda 4. ábrán bemutatott kiviteli alakjánál diagramban szemlélteti a hőmérséklet alakulását az idő függvényében.

Rátérve az 1. ábrára, azon egy ismert kivitelű szonda látható, amely egy csőreaktorba van beszerelve. Az 1 szondatestben 2 hengeres furat van, amelybe egy bevonatos 3 hőelem van behelyezve, amely 3 hőelemnek 3A hőérzékeny csúcsa van. Az 1 szondatest egy 5 csatlakozódarab 4 hengeres kimunkálásába van szerelve, amely viszont nyomástömör módon van a 6 reaktorcső 6A és 6B karimája közé szerelve. A 6 reaktorcsőben lehetséges reakciók esetében, például polietilén előállításánál etilén komprimálásával, 500-tól 5000 bar, előnyösen 500-tól 3500 bar üzemnyomással lehet dolgozni. Ugyanakkor nagymértékű hőmérsékletemelkedés következhet be, ami elérheti a 300°C - 1000°C értéket. Az 5 csatlakozódarab a 6A és 6B karimákon át hozzá van csavarozva a 8 csatlako

66.189/BE zófej 7 összekötődarabjához, ahonnan elektromos vezetékek haladnak a 8A csatlakozórészen át a kijelző készülékekhez.

Az 5 csatlakozódarabba behelyezett 1 szondatest az 1A csonkakúpos elülső részével nyúlik be a 6 reaktorcsőbe. Ennek szerkezeti felépítését a 2. ábrán illusztrált kiviteli alakból ismerhetjük meg. A hengeres 1 szondatest, amely 9 mm külső átmérőjű, az elülső végénél 1A csonkakúp-alakú, amely a középtengellyel 30°-os szöget zár be. Az 1A csúcs külső átmérője 5 mm. A 2,2 mm átmérőjű 2 hengeres furat központosán halad az 1 szondatestben. Ebbe a 2 hengeres furatba egy bevonatos, NiCr-Ni típusú 3 hőelem van behelyezve. Az 1 szondatest körkörösen hozzá van hegesztve az 5 csatlakozódarabhoz, a 9 hegesztési helynél.

A 3 hőelem 3A hőérzékeny csúcsa szabályosan belenyúlik a gázáramlás közepébe úgy, hogy regisztrálja a pontos üzemelési hőmérsékletet. A 2. ábrán látható ismert kivitelű szonda esetében annak hőinerciája -hőtehetetlensége- jelentős mértékű késést okoz az adott időben kapott hőmérséklet-kijelzésben.

A 3. ábra a szondatest egyik kiviteli alakját mutatja be, amely a találmány értelmében az elülső végénél gyűrűalakú 10 hézaggal van ellátva. Ez a 10 hézag egy speciális kiviteli alak esetében 15 mm hosszú és 0,2 mm szélességű. A bevonatos 3 hőelem számára szolgáló 2 hengeres furat átmérője 1,5 mm és az 1 szondatest 1B hengeres része, amely a 10 gyűrűalakú hézag belsejében helyezkedik el, 3,2 mm átmérőjű. Ellentétben a 2. ábrán látható kiviteli alakkal, az 1 szondatest azon része, amely a 10 gyűrűalakú hézagban helyezkedik el, az 1A csonkakúpos véggel átellenes csúcsánál 2 mm-rel meg van hosszabbítva, az 1B hengeres

66.189/BE rész által. Ezen 1B hengeres rész elülső vége egy 16 hegesztés útján van lezárva, melynek külső alakja félgömb-forma. Annak biztosítására, hogy a bevonatos 3 hőelem nyomástömören legyen beszerelve a 2 hengeres furatba, ezt a 2 hengeres furatot összeszűkítjük a bevonatolt 3 hőelem behelyezését követően, éspedig kovácsolással, vagy görgőzéssel, ami rendszerint hideghegesztést eredményez. A 10 gyűrűalakú hézagot lézersugár segítségével munkáljuk be.

A találmány szerinti hőmérsékletmérő szonda egy további kiviteli alakja, amely előnyösen gyártható, a 4. ábrán van szemléltetve. Ennél az 1 szondatest, amely a bemutatott példaképpen! kiviteli alaknál 9 mm átmérőjű, el van látva egy lépcsőzött 11 vállal, melynek átmérője 7 mm, hossza pedig 20 mm. Ezután egy további 12 lépcsős váll következik, melynek 6 mm az átmérője és hossza 9 mm. Ehhez a vállhoz csatlakozik a 13 lépcsős váll, amely egészen a csúcsig terjed és átmérője 3,2 mm. A 2 hengeres furat 1,5 mm átmérőjű és az ugyanilyen átmérőjű bevonatolt 3 hőelemhez szolgál.

Erre az 1 szondatestre 14 sapka van illesztve, amelynek külső átmérője egyezik az 1 szondtest külső átmérőjével és a jelen esetben 9 mm. A 14 sapka belseje el van látva lépcsős hornyokkal, melyek megfelelnek az 1 szondatest 11, 12, 13 lépcsős vállai átmérőinek. A 11 és 12 lépcsős váll környezetében a két rész pontosan illeszkedik egymáshoz. Az 1 szondatest 13 lépcsős válla környezetében a 14 sapka hornyának átmérője 0,4 mm-rel nagyobb, mint az 1 szondatest átmérője, aminek eredményeként kialakul a kívánt 0,2 mm szélességű 10 gyűrűalakú hézag. Az 1 szondatest

66.189/BE elülső része 3 mm-nyivel túlnyúlik a 14 sapka 14A kúpos végén. A 14 sapka 15 hegesztési varrat útján van az 1 szondatesthez erősítve. A 14 sapka elülső része 14A kúpos véggel rendelkezik és 14B élben végződik, amely merőlegesen helyezkedik el az 1 szondatest hossztengelyére és 5,2 mm külső átmérővel rendelkezik. Az 1 szondatest elülső végét egy felhegesztett 16 sapka zárja le.

Abban az esetben, ha igen nagy annak a közegnek az áramlási sebessége, melynek hőmérsékletét mérni kell, olyan helyzet alakulhat ki, ahol az 1 szondatestből kinyúló csúcs elhajlik eredeti alakjától és a 14 sapka elülső 14A kúpos végére fekszik fel. Ez csökkentené a találmány szerinti 10 gyúrűalakú hézag hatását. Mindezt úgy kerülhetjük el, hogy a találmány előnyös továbbfejlesztése értelmében a 14 sapka 14B élét, amely merőlegesen helyezkedik el a szonda tengelyére, a beszerelés után számos, előnyösen három, vagy négy, lényegileg kúpos vastagodással látjuk el, melyek párhuzamosak a szonda hossztengelyével és melyeknek vastagsága elegendő ahhoz, hogy éleik érintkezzenek az 1 szondatesttel, a 14B él környezetében. Ennek kétségkívüli eredményeként kissé megnövelt hővezetés jön létre az 1 szondatest és a 14 sapka között, de ez elfogadható, tekintettel a találmány szerinti szonda megnövelt robusztusságára, a mérendő közeg nagy áramlási sebességeinél.

A hőmérséklet-kijelzés késedelmességét, amit a hagyományos szondánál észlelhetünk, az 5. ábrán diagramban szemléltetjük. Ez tartalmazza azt, amikor a szondát először egy 20°C hőmérsékletű olaj fürdőbe merítjük, a kiindulási érték létrehozásához. A szon

66.189/BE dát ezután egy 200°C hőmérsékletű olajfürdőbe merítjük és mérjük a késési időt. Az 5. ábrán bemutatott görbénél látható, hogy a τ időállandó , ami megfelel a végső érték 63%-ának, 7,7 mp után érhető el. Még 17,4 mp után is csak a végső hőmérsékleti érték 90%-át lehet elérni.

A 6. ábrán bemutatott diagram a találmány szerint kialakított szondával elért eredményeket szemlélteti. Itt a τ időállandó 2,45 mp volt. A végső hőmérsékleti érték 90%-át 5,1 mp alatt értük el. Az az idő, ami alatt a végső hőmérsékleti értéknek 95%át elértük, 10 mp alatt volt ennél a kiviteli alaknál.

Az említett két diagram összevetése megmutatja, hogy a találmány szerinti szondával jelentősen gyorsabb hőmérsékletváltozás-érzékelés lehetséges, mint a hagyományos szondákkal.

66.189/BE

Claims

Szabadalmi igénypontok

1. Hőmérsékletmérő szonda, amely tartalmaz egy szondatestet (1) egy hengeres furattal (2), melybe egy hőelem (3), vagy egy ellenállás-hőmérő helyezhető be, és ennek hőérzékeny csúcsa (3A) kinyúlik a szondatest (1) elülső részéből, azzal jellemezve, hogy a szondatest (1) elülső része el van látva egy gyűrűalakú hézaggal (10), amely kis távolságban helyezkedik el a hengeres furattól (2), a szonda hossztengelye mentén.
2. Az 1. igénypont szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a gyűrűalakú hézag (10) szélessége 0,1 és 0,5 mm között, előnyösen 0,1 és 0,2 mm között van.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a gyűrűalakú hézag (10) hossza 5 és 20 mm közötti, előnyösen 10 és 15 mm közötti értékű.
4. Az 1 - 3. igénypontok bármelyike szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a szondatest (1) elülső része legalább egy csökkent átmérőjű lépcsős vállal (11) rendelkezik és ez a csökkent átmérőjű lépcsős váll (11) egy sapkával (14) van lefedve, melynek belső átmérője a gyűrűalakú hézag (10) szélességének kétszeresével nagyobb.
5. A 4. igénypont szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a szondatest (1) elülső része legalább két lépcsős vállal (11, 13) van ellátva, melyeknek átmérője egymást követően csökken, továbbá hogy a sapka (14) a hátsó részénél olyan belső átmérőjű, amely megfelel az első lépcsős vállnak (11) és amellyel hozzá van erősítve a szondatesthez (1).

66.189/BE
6. A 4. vagy 5. igénypont szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a sapka (14) illesztéssel van rögzítve a szondatesthez (1) a legerősebben csökkentett átmérőjű lépcsős váll (13) előtti helyen.
7. A 6. igénypont szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a sapka (14) a hátsó részénél hegesztési varrat (15) útján a szondatesthez (1) van erősítve.
8. A 7. igénypont szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a sapka (14) elülső vége számos, előnyösen három, vagy négy vastagodással van deformálva, melyek a szondatest (1) hossztengelyével párhuzamosan vannak vezetve.
9. Az 1 - 8. igénypontok bármelyike szerinti hőmérsékletmérő szonda, azzal jellemezve, hogy a szondatest (1) elülső vége egy felhegesztett sapka (16) útján van lezárva.
10. Az 1 - 9. igénypontok bármelyike szerinti hőmérsékletmérő szonda alkalmazása a hőmérsékletváltozások mérésére olyan eljárásoknál, ahol magas hőmérséklet és/vagy nagy nyomás és/vagy nagy áramlási sebesség lép fel.

A meghatalmazott

66.189/BE