تحلیل فرکانس طبیعی ترموول‌ها و الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016

تحلیل فرکانس طبیعی ترموول‌ها (Wake Frequency) و الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016

اگر می‌خواهید با مبانی ارتعاشات و معیارهای طراحی ایمن ترموول بر اساس آخرین ویرایش استاندارد ASME آشنا شوید، این مقاله منبعی معتبر به‌شمار می‌آید.

۱. مقدمه

تحلیل فرکانس طبیعی ترموول‌ها و الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016؛ ترموول‌ها (Thermowell) ابزارهای حفاظتی هستند که سنسورهای دما را در مقابل فشار سیال، خوردگی و جریان مستقیم محافظت می‌کنند. طراحی صحیح ترموول، فراتر از انتخاب جنس و طول مناسب است؛ تحلیل فرکانس طبیعی و اثرات ارتعاشی ناشی از جریان سیال یکی از الزامات حیاتی برای اطمینان از عملکرد ایمن و طول عمر سنسور محسوب می‌شود.

استاندارد ASME PTC 19.3 TW-2016 آخرین مرجع معتبر طراحی و تحلیل ترموول‌ها است و شامل روش‌های محاسبه‌ی فرکانس طبیعی، تحلیل ارتعاشات ناشی از جریان و الزامات ایمنی است.

📎 سنسورهای اندازه گیری دما

۲. مفاهیم پایه ارتعاشات ترموول‌ها؛ تحلیل فرکانس طبیعی ترموول‌ها و الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016

۲.۱ فرکانس طبیعی (Natural Frequency)

فرکانس طبیعی یک ترموول، فرکانسی است که ترموول در آن تمایل به ارتعاش آزاد دارد. برای یک سیلندر توخالی استوانه‌ای شکل، فرکانس طبیعی وابسته به طول، قطر، ضخامت دیواره و مدول یانگ ماده‌ی ترموول است.

فرمول تقریبی فرکانس طبیعی (در مد نوسان ساده برای یک ترموول با پایه ثابت) به صورت زیر است:

[
f_n = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m_\text{eff}}}
]

که در آن:

(k) سختی خمشی ترموول
(m_\text{eff}) جرم مؤثر (شامل جرم ترموول و سیال محصور در اطراف آن)

۲.۲ فرکانس wake و اثر جریان سیال

وقتی سیال با سرعت (V) از اطراف ترموول عبور می‌کند، آهنگ گردابه‌های پشت ترموول (Vortex Shedding) ایجاد می‌شود که به آن Wake Frequency گفته می‌شود. فرکانس گردابه‌ها از رابطه‌ی Strouhal محاسبه می‌شود:

[
f_w = St \cdot \frac{V}{D}
]

که در آن:

(St) عدد Strouhal (معمولاً 0.2 برای سیلندرهای گرد)
(V) سرعت جریان سیال
(D) قطر ترموول

اگر فرکانس wake نزدیک یا برابر با فرکانس طبیعی ترموول شود، پدیده رزونانس رخ می‌دهد که منجر به ارتعاشات شدید، خستگی ماده و شکست ترموول می‌گردد.

۳. الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016

۳.۱ روش‌های طراحی

استاندارد، سه روش تحلیل را برای ترموول‌ها ارائه می‌دهد:

Direct Stress Method: بر اساس محاسبه‌ی تنش خمشی در طول ترموول
Simplified Stress Method: روش تقریبی برای کاربردهای معمول
Finite Element Analysis (FEA): تحلیل دقیق با شبیه‌سازی ارتعاش و تنش

۳.۲ معیار ایمنی فرکانس

تحلیل فرکانس طبیعی ترموول‌ها و الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016؛ برای جلوگیری از رزونانس، ASME توصیه می‌کند:

[
f_n > 2.2 , f_w
]

این ضریب اطمینان باعث کاهش خطر خستگی ناشی از جریان سیال می‌شود.

۳.۳ سایر الزامات

حداکثر طول آزاد ترموول: طولی که ارتعاش بیش از حد نداشته باشد
محدودیت قطر و نسبت L/D: جلوگیری از لغزش جریان و افزایش اثر wake
انتخاب مواد مقاوم: فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی و ارتعاش

۴. تحلیل صنعتی و کاربردی

۴.۱ مثال کاربردی

برای یک ترموول با مشخصات:

قطر D = 25 mm
طول آزاد L = 200 mm
جریان آب با V = 5 m/s

عدد Strouhal St = 0.2، فرکانس wake برابر است با:

[
f_w = 0.2 \cdot \frac{5}{0.025} = 40 \text{ Hz}
]

فرکانس طبیعی ترموول باید حداقل (2.2 \cdot 40 = 88 \text{ Hz}) باشد تا از رزونانس جلوگیری شود.

۴.۲ نکات طراحی مهندسی

کوتاه کردن طول آزاد یا افزایش ضخامت دیواره، فرکانس طبیعی را افزایش می‌دهد.
استفاده از ترموول با نوک مخروطی یا نوک توپی می‌تواند wake را کاهش دهد.
تحلیل FEA برای شرایط جریان واقعی (سرعت غیر یکنواخت، اثرات دما و فشار) توصیه می‌شود.

۵. اهمیت تحلیل مهندسی در کاربردهای صنعتی

عدم رعایت الزامات ASME PTC 19.3 می‌تواند منجر به شکست ناگهانی ترموول، نشت سیال فرآیندی، ازکارافتادن سیستم اندازه‌گیری و حتی خسارات ایمنی شود. به همین دلیل، در پروژه‌های صنعتی، به‌ویژه در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاهی، تحلیل فرکانس طبیعی ترموول پیش از انتخاب نهایی تجهیز، یک ضرورت مهندسی محسوب می‌شود.

در مجموعه آدرین صنعت ابزار دقیق پارس این تحلیل‌ها معمولاً به‌عنوان بخشی از فرآیند انتخاب تجهیزات ابزار دقیق در نظر گرفته می‌شود تا ترموول انتخاب‌شده، با شرایط فرآیندی و استانداردهای معتبر بین‌المللی هم‌خوانی کامل داشته باشد.

جمع‌بندی؛ تحلیل فرکانس طبیعی ترموول‌ها و الزامات ASME PTC 19.3 TW-2016

تحلیل فرکانس طبیعی و wake frequency ترموول، کلید طراحی ایمن و طول عمر طولانی ترموول‌ها در سیستم‌های صنعتی است. استاندارد ASME PTC 19.3 TW-2016 با ارائه معیارهای عددی و ضریب ایمنی، مرجع قابل اعتماد برای مهندسان ابزار دقیق و فرآیند است.

طراحی صحیح، همراه با تحلیل دقیق ارتعاشات و انتخاب مواد مناسب، از بروز شکست‌های ناشی از رزونانس و خستگی ترموول جلوگیری می‌کند و عملکرد سنسورهای دما را در طول زمان تضمین می‌کند.