Los termopozos son accesorios cilíndricos que se utilizan para proteger los sensores de temperatura instalados para controlar los procesos industriales . Un termopozo consiste en un tubo cerrado en un extremo y montado en la pared de la tubería o recipiente dentro del cual fluye el fluido de interés . Un sensor de temperatura, como un termómetro , un termopar o un detector de temperatura de resistencia , se inserta en el extremo abierto del tubo, que generalmente está al aire libre fuera de la tubería o recipiente y cualquier aislamiento térmico .
Termodinámicamente , el fluido del proceso transfiere calor a la pared del termopozo, que a su vez transfiere calor al sensor. Dado que hay más masa presente con un conjunto de sensor y pozo que con una sonda sumergida directamente en el fluido, la respuesta del sensor a los cambios de temperatura se ralentiza con la adición del pozo. Si el sensor falla, se puede reemplazar fácilmente sin drenar el recipiente o la tubería. Dado que la masa del termopozo debe calentarse a la temperatura del fluido y que las paredes del termopozo conducen el calor fuera del proceso, la precisión y la capacidad de respuesta del sensor se reducen con la adición de un termopozo. [1]
Tradicionalmente, la longitud del termopozo se ha basado en el grado de inserción en relación con el diámetro de la pared de la tubería. Esta tradición es errónea, ya que puede exponer el termopozo al riesgo de vibración inducida por el flujo y falla por fatiga . Cuando se realizan cálculos de error de medición para la instalación, para tuberías aisladas o temperaturas de fluido cercanas a la ambiente, excluyendo los efectos de la radiación térmica , el error de conducción es inferior al uno por ciento siempre que la punta esté expuesta al flujo, incluso en instalaciones montadas con bridas . Los argumentos a favor de diseños más largos se basan en nociones tradicionales, pero rara vez están justificados. Los termopozos largos se pueden utilizar en servicios de baja velocidad o en casos en los que la experiencia histórica justifique su uso. En las tuberías modernas de alta resistencia y velocidades de fluido elevadas, cada instalación debe examinarse cuidadosamente, especialmente en los casos en los que hay resonancias acústicas en el proceso.
El tiempo de respuesta del sensor instalado depende en gran medida de la velocidad del fluido y es considerablemente mayor que el tiempo de respuesta del propio sensor. Esto es el resultado de la masa térmica de la punta del termopozo y del coeficiente de transferencia de calor entre el termopozo y el fluido.
Un termopozo representativo se mecaniza a partir de una barra perforada para garantizar un ajuste adecuado del sensor (por ejemplo, un orificio de 0,260 pulgadas que coincida con un sensor de 0,250 pulgadas). Un termopozo se monta típicamente en la corriente de proceso por medio de una conexión de proceso roscada , soldada , con tapa sanitaria o con brida. El sensor de temperatura se inserta en el extremo abierto del termopozo y, por lo general, se carga con resorte para garantizar que la punta exterior del sensor de temperatura esté en contacto metal con metal con la punta interior del termopozo. Se desaconseja el uso de secciones soldadas para diseños largos debido a los riesgos de corrosión y fatiga.
El termopozo protege al instrumento de la presión, las fuerzas inducidas por el flujo y los efectos químicos del fluido de proceso. Normalmente, un termopozo está hecho de una barra de metal. El extremo del termopozo puede tener un diámetro reducido (como es el caso de un termopozo cónico o de vástago escalonado) para mejorar la velocidad de respuesta.
Para presiones y temperaturas bajas, se puede utilizar teflón para hacer un termopozo; son típicos varios tipos de acero inoxidable , aunque también se utilizan otros metales para fluidos de proceso altamente corrosivos.
Cuando las temperaturas son altas y el diferencial de presión es pequeño, se puede utilizar un tubo de protección con un elemento de termopar desnudo. Estos suelen estar hechos de alúmina u otro material cerámico para evitar el ataque químico del platino u otros elementos del termopar. El tubo de protección cerámico se puede insertar en un tubo de protección exterior pesado fabricado con carburo de silicio u otro material cuando se requiere una mayor protección.
Los termopozos se instalan normalmente en sistemas de tuberías y están sujetos a fuerzas hidrostáticas y aerodinámicas . El desprendimiento de vórtices es la preocupación principal de los termopozos en aplicaciones de flujo cruzado y es capaz de forzar al termopozo a la resonancia con la posibilidad de falla por fatiga no solo del termopozo sino también del sensor de temperatura. Las condiciones para la resonancia inducida por flujo generalmente gobiernan el diseño del termopozo, además de su clasificación de presión y materiales de construcción. El movimiento inducido por flujo del termopozo ocurre tanto en línea como transversalmente a la dirección del flujo con las fuerzas del fluido actuando para doblar el termopozo. En muchas aplicaciones, el componente transversal de las fuerzas del fluido resultantes del desprendimiento de vórtices tiende a gobernar el inicio de la resonancia inducida por flujo, con una frecuencia de forzamiento igual a la tasa de desprendimiento de vórtices. En líquidos y en fluidos compresibles a alta presión , también está presente un componente de movimiento más pequeño pero significativo en la dirección del flujo y ocurre a casi el doble de la tasa de desprendimiento de vórtices. La condición de resonancia en línea puede regir el diseño del termopozo a altas velocidades de fluido, aunque su amplitud es una función del parámetro de amortiguación de masa o el número de Scruton que describe la interacción termopozo-fluido.
Los coeficientes de fuerza aerodinámica y la dependencia de la tasa de desprendimiento dependen del llamado número de Reynolds de punta. Para números de Reynolds menores de 100000 (el número crítico de Reynolds), las fuerzas de desprendimiento se comportan bien y conducen a un forzamiento periódico. Para números de Reynolds asociados con la crisis de arrastre (informada por primera vez por Gustav Eiffel) 100 000 < Rd < 1 000 000-3 000 000, las fuerzas de desprendimiento se aleatorizan con una reducción correspondiente en magnitud. Las fluctuaciones aleatorias se caracterizan por sus espectros de Fourier caracterizados por su ancho de banda de Strouhal y las magnitudes cuadráticas medias de los coeficientes de fuerza aerodinámica en las direcciones de sustentación y arrastre.
En el caso de los termopozos de barras perforadas, la forma más común de falla es la fatiga por flexión en su base, donde las tensiones de flexión son mayores. En condiciones de flujo extremas (líquidos a alta velocidad o gases y vapores a alta velocidad y alta presión), puede ocurrir una falla catastrófica con tensiones de flexión que excedan la resistencia última del material. En el caso de termopozos extremadamente largos, el componente estático de las tensiones de flexión puede determinar el diseño. En servicios menos exigentes, la falla por fatiga es más gradual y a menudo precedida por una serie de fallas del sensor. Estas últimas se deben a la aceleración de la punta del termopozo a medida que vibra; este movimiento hace que el elemento se levante del fondo del termopozo y se golpee en pedazos. En los casos en los que se han medido las tensiones de aceleración, las aceleraciones del sensor en condiciones resonantes a menudo superan los 250 g y han destruido el acelerómetro .
Las frecuencias naturales de los modos de flexión del termopozo dependen de las dimensiones del termopozo, de la conformidad (o flexibilidad) de su soporte y, en menor medida, de la masa del sensor y de la masa agregada del fluido que rodea al termopozo.
El Código de prueba de desempeño ASME PTC 19.3TW-2016 ("19.3TW") define criterios para el diseño y la aplicación de termopozos con soporte rígido. Sin embargo, estos termopozos deben fabricarse a partir de barras o material forjado donde se cumplan ciertos requisitos dimensionales y tolerancias de fabricación. Los revestimientos, manguitos, collares de velocidad y superficies maquinadas especiales como espirales o aletas están expresamente fuera del alcance de la norma 19.3TW. [2]
La fuga de sodio y el incendio en la central nuclear de Monju , en Japón, se produjeron en 1995 debido a una falla catastrófica de un termopozo debido a la fatiga . Hay otras fallas documentadas en la literatura publicada.
El estándar de termopozos ASME PTC 19.3 TW (2016) es un código ampliamente utilizado para termopozos mecanizados a partir de barras de material e incluye aquellos soldados o roscados en una brida, así como aquellos soldados en un recipiente de proceso o tubería con o sin un adaptador de soldadura, pero no tiene en cuenta la flexibilidad de la pared de la tubería ni la ovalización.
Respecto al error de medición y a las instalaciones de termopozos más complejas:
Referencias más recientes involucran errores de medición inducidos por radiación, llamas de hollín y proximidad de fuentes de calor.
Respecto al diseño del termopozo:
Respecto a los informes de fallos publicados:
Respecto a las pruebas de flujo de termopozo con y sin tracas: