NO790817L - Termoelementinnretning. - Google Patents

Description

Termoelementinnretning

Oppfinnelsen angår generelt temperaturmålingsteknikk, og særlig temperaturmåling ved benyttelse av et termoelement. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en termoelementmontasje som er konstruert for på beskyttende måte å bevare et termoelement i en høytrykksomgivelse på en slik måte at termoelementets reaksjonstid ikke forringes.

Ved fremstillingen av polyethylen er nøyaktig kontroll av den temperatur som er tilstede i en reaktor, vesentlig for å sikre produksjon av et polyethylenprodukt av høy kvalitet. Tid-lige polyethylenreaktorer benyttet vanligvis et termoelement som var installlert i en varmebrønn, og hvor et varmeledende materia-le, såsom en olje eller silicon, var anbragt i varmebr.ønnen for å sikre en god termisk forbindelse eller en høy grad av varmeover-føring mellom brønnen og termoelementet. Etter at dette arrange-ment var benyttet i flere år, ble det konstruert et termoelement som på tilfredsstillende måte ville motstå de store trykk som hersket i polyethylenreaktoren, og som følgelig ville være i stand til å nedsenkes direkte i reaktantmaterialene som ble be-handlet i reaktoren, uten å nødvendiggjøre bruken av en beskyttende varmebrønn. Selv om bruken av et termoelement som kunne installeres direkte i reaktorprosessmediet, representerte en for-bedring i forhold til den tidligere type av termoelement som var installert i en varmebrønn, kunne de termoelementet som ble benyttet, ikke detektere temperaturendringer tilstrekkelig raskt til å gjøre det mulig å ta forholdsregler som ville hindre øde-leggende, ukontrollerte reaksjoner fra å genereres i reaktoren, eller resultere i produksjon a<y>materialer som ikke oppfyller sine fremstillingsspesifikasjoner.

Reaksjonstiden til disse tidligere kjente termoelementer passet ganske godt til reaksjonstiden for styreutrustningen for den polyethylenreaktor som på den tid var tilgjengelig i teknikken. I de senere år er det imidlertid blitt utviklet styreutrustning som har mye raskere reaksjonstider. Med hen-blikk på den raske reaksjonstid for eksisterende styreutrustning har den iblant langsommere reaksjonstid for termoelementet blitt en begrensende faktor i reaksjonshastigheten for det totale reaktor s ty resy stem .

Reaksjons- eller responstiden for et termoelement defi-neres generelt som den medgåtte tid som kreves for at termoelementovergangen skal nå 63,2 % av sin endelige temperatur når den fortløpende utsettes for to forskjellige temperaturnivåer. Reaksjonstiden blir vanligvis påvirket av flere faktorer, deriblant typen og størrelsen av tråd som benyttes for å danne elementene i termoelementovergangen, størrelsen av termoelementovergangs-sveisen og varmebortledningsvirkningen av de beskyttende hylstere eller kapper som benyttes for å holde og omslutte termoelementet. Det har derfor vært praksis på området å installere termoelementer i en forholdsvis tung, rustfri stålkappe for å sikre at termoelementmontasjen har tilstrekkelig mekanisk styrke for benyttelse i.polyethylenreaktorer. Den beskyttende kappe virker som en varmestråler eller varmebortleder og blir følgelig en meget vesentlig faktor når det gjelder å forringe termoelementets reaksjonstid.

Det blir derfor ønskelig å tilveiebringe en termoelementmontasje som er konstruert for å virke i en omgivelse med høyt trykk opp til ca. 4 000 kg/cm 2, slik som i en polyethylenreaktor, som vil virke i en omgivelese med høy temperatur opp til ca. 315° C, som har tilstrekkelig mekanisk styrke til å tillate den å utnyttes i reaktoren, og som også har en rask reaksjonstid, av en størrelse på mindre 0,2 sek., for å sette den i stand til raskt å avføle eventuelle temperaturendringer som finner sted i reaktoren.

US patent nr. 3 811 9 58 (Maurer) viser en termoelementmontasje i hvilken den avfølende termoelementovergang er innkaps-let i en sylindrisk metallkappe som er forenet med en større sylindrisk kappe. Maurer beskjeftiger seg ikke i det hele tatt med drift i en høytrykksomgivelse, og forbindelsen mellom de to

sylindriske seksjoner av termoelementet ville ikke tilveiebringe en tilstrekkelig trykktetning for en høytrykksomgivelse. Videre

viser ikke dette patent noen dobbel termoelementmontasje, men har i stedet en konstruksjon som sørger for b are én termoelementovergang.

US patent nr. 3 589 192 (Sabovik) viser en termoele-mentmontas je i hvilken et langstrakt, mantlet termoelement er opptatt i en boring i en monterings- eller armatur-legemsdel. Det mantlede termoelement fastholdes løsbart i monteringslegemet, slik at det er bevegelig eller forskyvbart aksialt i forhold til legemsdelen, og derved tilveiebringer en justering ved hjelp av hvilken termoelementovergangen kan rage varierende avstander ut fra legemsdelens ende. Trykktetningen i denne termoelementmontasje er dannet av en kompressibel pakning som er anordnet mellom de to bevegelige deler og som ville gi tilstrekkelig tetning i en høytrykksomgivelse.

US patent nr. 3 539 400 (Pustell) viser en termoele-mentmontas je som er dannet av to konsentriske, sylindriske kapper i hvilke den ytre sylindriske kappe fullstendig omslutter den indre sylindriske kappe. Konstruksjonen av denne termoelementmontasje er utformet for å utligne varmeutvidelse mellom de forskjellige kapper i montasjen. Pustell beskjeftiger seg ikke i det hele tatt med tilstrekkelig tetning av termoelementmontasjen mot de skadelige virkninger av drift i en høytrykksomgivelse.

US patent nr. 3 284 247 (McCall) viser en termoelementmontasje i hvilken termoelementtrådene er anbragt i to aksiale kanaler som er dannet i termoelementoverflaten og strekker seg langs den aksiale lengde av et element av montasjen. Termoelementtrådene er imidlertid bare anbragt i disse kanaler for føringsformål, og termoelementmontasjen som er vist i McCall-patentet, er ikke konstruert for å motstå uforholdsmessig høye driftstrykk.

US patent nr. 3 996 071 (Klicks) viser ehtermoelement-montas je som er konstruert for å måle temperatur i omgivelser med ekstremt høyt trykk, men er ikke opptatt av om termoelementets reaksjonstid forringes på grunn av den beskyttende montasje. Konstruksjonen av termoelementmontasjen ifølge dette patent er følgelig av en beskaffenhet som er fullstendig forskjellig fra beskaffenheten av konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfin-nelse .

For å overvinne eller redusere de begrensninger og ulemper som påtreffes i den kjente teknikk, tar oppfinnelsen sikte på ' tilveiebringelse av en forbedret termoelementmontasje som er konstruert for å virke i en omgivelse med høy temperayatur og høyt trykk, og hvor montasjen også er konstruert for å reagere raskt på endringer i temperatur.

I overensstemmelse med en foretrukket utførelse av oppfinnelsen skal det beskrives en termoelementmontasje som omfatter minst ett termoelement som er i det minste delvis anbragt i en aksial kanal som strekker seg langs lengden av en monterings-eller armaturdel. Den temperaturfølende ende av termoelementet rager noe utenfor den ene ende av armaturdelen for å tillate termoelementet å reagere raskt på endringer i temperatur uten å besværes urimelig av armaturdelens langsommere temperaturendring. Den nevnte armaturdels andre ende er anbragt i; en aksial boring som er dannet i den ene ende av en andre armaturdel, idet den sistnevnte ende av den første armaturdel i boringen er tettende forenet med den andre armaturdel for å danne en høytrykksbestandig tetning for montasjen.

I den beskrevne utførelse har de første og andre armaturdeler videre i hovedsaken sylindrisk form og er fortrinnsvis dannet av rustfritt stål, idet armaturdelene er sammenloddet langs sine innbyrdes, kontaktflater hvor den første armaturdels ende strekker seg inn i den aksiale boring som er dannet i den andre armaturdel. I den viste utførelse av oppfinnelsen er videre termoelementet loddet inn i den aksiale kanal i nærheten av der hvor de første og andre sylindriske deler er sammenloddet, og også ved den ende av den første armaturdel fra hvilken termoelementet strekker seg inn i det temperaturfølende område.

I overensstemmelse med en første beskrevet utførelse av oppfinnelsen er videre den aksiale kanal dannet i overflaten av den første armaturdel, mens den aksiale kanal i en andre utførel-se av oppfinnelsen er utformet som en åpning som strekker seg innvendig over den aksiale lengde- av den første armaturdel. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er dessuten termoelementmon-tas jen en dobbel montasje som har to separate.termoelementer som er anbragt i to aksiale kanaler som er dannet i den første armaturdel.

Det er følgelig et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en termoelementmontasje som omfatter et termoelement som er innrettet til å operere med raske respons- eller reaksjonstider som reaksjon på endringer i temperatur.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en termoelementmontasje av den beskrevne type i hvilken det termoelementet er tilveiebragt en armatur som vil sette termoelementet i stand til å benyttes i en høytrykksomgivelse.

Et mer spesielt formål med oppfinenlsen er å tilveiebringe en termoelementmontasje for benyttelse i en polyethylenreaktor, hvor termoelementmontasjen har en rask respons på endringer i temperatur og er innrettet til å motstå de høye trykk og temperaturer som påtreffes i en sådan reaktor.

De foregående og andre formål og fordeler med termo-elementmontas jen ifølge oppfinnelsen vil fremgå av den etterføl-gende nærmere beskrivelse av foretrukne utførelsesformer under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et lengdesnitt av en første utførelse av en termoelementmontasje som er konstruert i overensstemmelse med oppfinnelsen, fig. 2 viser et tverrsnitt etter linjen 2 - 2 på fig. 1, fig. 3 viser et tverrsnitt etter linjen 3 - 3 på fig. 1, fig. 4 viser et lengdesnitt av én kompo-nent av termoelementmontasjen på fig. 1, fig. 5 viser et lengdesnitt av en ahdre utførelse av en termoelementmontasje ifølge oppfinnelsen, og fig. 6 viser et tverrsnitt etter linjen 6 - 6 på f ig . 5 .

Idet det nå henvises til utførelsen ifølge fig. 1-4 på tegningene, er det på fig. 1 vist et langsgående snittbilde av en termoelementmontasje som omfatter første og andre termoelementer 12 og 14 som er montert i en beskyttende armatur 16. Termoelementene omfatter temperaturfølgende ender 18 og 2 0 i hvilke termoelementovergangene er beliggende, og trådparéne 22, 24 som leder termoelementenes utgangssignaler, idet de sistnevnte er beskyttende anbragt i sylinderformede kapper eller mantler 26 og 28 som strekker seg langs i hovedsaken hele lengden av armaturen

16. Termoelementene 12 og 14 kan være kommersielt tilgjengelig utstyrt som er tilgjengelig fra det amerikanske firma Omega Engineering Company, Inc., Stamford, Connecticut. Termoelementene benytter fortrinnsvis tråd med en diameter på 0,025 mm for å danne termoelementovergangen som er innesluttet i en mantel som har en diameter på 0,5 mm og er dannet av Inconel. Inconel-mantelen setter termoelementet i stand til å avføle ekstremt høye temperaturer uten å bli ødelagt. Denne fysiske egenskap er vik-tig da de temperaturer som termoelementene utsettes for i en polyethylenreaktor, særlig under voldsomme nedbrytninger i reaktoren, er ekstremt høye.

Fordelen med å benytte forholdsvis små termoelementer ligger i det faktum at de har forholdsvis små termiske tregheter, slik at de er egnet for å reagere raskt på endringer i temperatur inne i reaktoren. I modifikasjoner av oppfinnelsen er det mulig å benytte andre størrelser og typer av termoelementer. Armatyren 16 som beskyttende opptar termoelementene, består av en første

langstrakt, sylindrisk seksjon eller del 30 og en andre sylindrisk

del 32 med større diameter. Den ene ende av delen 30 med den minste diameter strekker seg inn i en sirkulær boring 34 i den sylindriske del 32 (fig. 4) langs den sentrale- lengdeakse ved delens ene ende. Enden av den sylindriske del 30 strekker seg inn i boringen 3 4 til kontakt med en skulder 3 6 som er dannet av en tverrgående endevegg vhor boringen 3 4 er forenet med en koaksial boring 38 som har mindre diameter og som fortsetter gjennom i hovedsaken resten av lengden av den sylindriske del 32. Armaturdelene 30 og 32 er sølvslagloddet ved sine forbindelsesflater, slik at de tilveiebringer en høytrykkstetning for termoelement-montiasjen.

Den sylindriske del 32 omfatter et utvendig gjenget parti 40 som tillater termoelementmontasjen å monteres på sikker måte i en tilsvarende, innvendig gjenget åpning i reaktoren. Delen 33 omfatter videre et avsmalnende eller konisk parti 42 ved den ende hvor den er forenet med delen 3 0 med liten diameter. Det avsmelnende parti 42 kan være'tilpasset til å lette tetning av montasjen mot en tilsvarende, sammenpassende flate i reaktoren (ikke vist) når montasjen skrues på plass i reaktoren. En boring 44 med større diameter /som er dannet i den motsatte ende av delen 32, opptar den ene ende av en armatur eller et rørstykke 4 6 som kan innpresses i boringen og loddes på plass, og som opptar forbindelsene mellom parene av utgangssignaltråder 22 og 24

og ytterligere ledninger 48 og 50 som kopler utgangssignalene fra

termoelementene tilpassende styreutrustning (ikke vist) for reaktoren. Rørstykket 4 6 er ved sin utragende ende forsynt med en utvendig gjenge 52 for å oppta et tilsmalnende innvendig gjenget, andre parti av armaturen (ikke vist). I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen kan de sylindriske deler 30 og 32 være konstruert av rustfritt stål av høy kvalitet, selv om andre passende materialer også kan benyttes. Når montasjen er montert på reaktoren, slik den er vist på tegningene, er den sylindriske del til venstre for det gjengede parti 40 anbragt i reaktoren, mens den sylindriske del med større diameter til høyre for det gjengede parti 40 strekker seg utenfor reaktoren. Montasjen er konstruert for å motstå trykkforskjeller mellom det indre og det ytre av reaktoren opp til ca. 4000 kg/cm 2.

Den sylindriske del 3 0 av armaturen har to i lengderet-ningen forløpende, diametralt motstående, åpne kanaler 54 som er dannet langs delens ytre sylindriske overflate. Kanalene 54 kan være freset inn i delens 30 overflate. De åpne kanaler 54 strekker seg fra delens'30 temperaturfølende ende langs størstedelen av delens lengde, men ender foran det sted hvor delens 30 andre ende går inn i boringen 34. I den andre ende av delen 30 er boret aksialt forløpende hull 3 6 som dannerønskede kanaler som i koak-sialt forhold står i forbindelse med bunnpartiene av de åpne kanaler 54. Hullene har noe større diameter enn termoelementmantlene, og når for eksempel mantlene hver har en ytterdiameter på 0,5 mm, kan hvert av'hullene ha en diameter på 0,65 mm. Termoelementene anbringes i kanalene 54, slik som vist på fig. 1, 2 og 3, og sølv-slagloddes deretter u hullene eller de lukkede kanaler 56 for å tilveiebringe høytrykkstetninger for montasjen. Termoelementene blir også sølvslagloddet i de åpne kanaler 54 ved spissen 58 nær den temperaturfølende ende av montasjen, ved bare å anbringe noen få dråper av loddemetall i kanalene ved 58. Termoelementene 12 og 14 festes således i kanalene i den sylindriske del 30 ved beg-ge ender av denne, men er fritt understøttet i kanalene 54 over det meste av sin lengde langs delen 30. Denne fritt understøt-tede plassering tillater termoelementene å bøyes svakt i lengden for å kompensere for eventuelle forskjeller i graden av varmeutvidelse mellom armaturen og termoelementene.

De temperaturfølende ender av termoelementene 12 og 14, hvor termoelementovergangene er beliggende, rager en aksial av stand D utenfor enden av delern 30. Den utragende avstand D tillater termoelementene å reagere raskt på endringer i temperatur som finner sted i reaktoren, da de itragende ender av termoelementene er forholdsvis frigjort fra den høye termiske treghet av den større fysiske masse av armaturen. I én utførelse ble denne utragende avstand D valgt lik 1,2 mm. Den utragende avstand D for termoelementendene er et kompromiss mellom en stor avstand som sørger for en høy reaksjonshastighet for termoelementene, og en liten avstand som gir maksimal beskyttelse av termoelementene. Avhengig av den ønskede anvendelse av termoelementmontasjen og den nødvendige reaksjonstid, kan avstanden D selektivt velges større eller mindre.

Den så langt beskrevne utførelse av termoelementmontasjen ifølge oppfinnelsen konstrueres ved benyttelse av følgende monteringsteknikk: •

Armaturdelene rengjøres med et passende løsningsmiddel, og de overflater av termoelementene som skal loddes sammen, ren-gjøres med et fint sandpapir. Loddepasta påføres på de områder av termoelementene som skal loddes sammen, og termoelementene inn-føres i og gjennom de aksiale kanaler i den sylindriske del 30. Termoelement-mantlene 26, 28 beveges deretter frem og tilbake for å sikre at loddepasta arbeides grundig inn i de lukkede partier 56 av de aksiale kanaler 54, 56. Loddepasta anbringes deretter

på den temperaturfølende ende 58 av delen 3 0 hvor termoelementene skal loddes. Deretter innstilles den aksiale utragningsavstand D

- for termoelementenes temperaturfølende ender utenfor enden av delen 30. De partier av termoelementmantlene 26, 28 som ligger nær montasjens temperaturfølende ende 58, sølvslagloddes deretter i kanalene 54. Termoelementene blir deretter krummet eller svakt bøyd i kanalene 54 for å tillate forskjell i varmeutvidelse mellom termoelementene og armaturdelen 3 0 med minst diameter. Den

o

sylindriske del 30 anbringes deretter i vertikal stilling, og den del av armaturen som omgir de lukkede kanaler 56, oppvarmes for å fordampe fuktighet fra loddepastaen i de lukkede kanaler. Loddepasta og en liten vulst av sølv-loddemetall anbringes deretter

rundt termoélementmantelen ved toppen av inngangen til de lukkede kanaler. Delen 30 oppvarmes deretter rundt partiet med de lukkede kanaler 56 inntil loddemetall strømmer fullstendig gjennom de lukkede kanaler og kommer frem ved disses nedre ender. Enden av

den minste sylinderarmatur 30 som skal innføres i den aksiale boring 34 i den større armaturdel 32, rengjøres deretter med et fint sandpapir og all loddepasta og sølv-loddemetall fjernes fra. denne ende. Loddepasta anbringes på de arealer eller flater som skal loddes, og enden av delen 3 0 innføres i boringen 3 4 i den større del 32 inntil den berører flaten eller skulderen 36. Montasjen anbringes deretter i vertikal stilling med delen 30 på toppen, og den største sylindriske armaturdel 32 oppvarmes rundt det område som skal loddes, for å fordampe eventuell fuktighet i loddepastaen. Loddepasta og en vulst av sølvloddemetall anbringes på toppen av delen 32 med størst diameter rundt det område som skal sammenføyes. Utsiden av den store sylindriske armaturdel 3 2 oppvarmes deretter rundt det område som skal loddes, inntil loddemetall strømmer inn i området mellom de to monterte deler 30 og 32. Deretter avkjøles montasjen, og den avsmalnende ende 42 av den store sylindriske del maskineres til den riktige koniske form.

Fig. 5 og 6 viser en andre utførelse av en termoelementmontasje 60 som likner den som allerede er beskrevet og hvor lik-nende eller like deler er betegnet med de samme henvisningstall som på fig. 1-4, men hvor imidlertid kanalene 62 og 64 som er dannet i den sylindriske del 3 0 av armaturen, er fullsteridig luk-ket langs hele lengden av denne del i stedet for å være åpne slik som kanalene 54 i den foran beskrevne utførelse. I denne utfø-relse av oppfinnelsen kan kanalene dannes ved ganske enkelt å

bore to aksiale hull langs lengden av delen 30. Hullene bør være tilstrekkelig store til å tillate eventuell forskjell i varmeutvidelse som finner sted mellom termoelementene 26, 28 og armaturen 30, og bør likevel fremdeles tillate en tilfredsstillende lodding av termoelementenes endepartier 66 og 68 i endene av den sylindriske armaturdel 30.

Claims (9)

1. Termoelementmontasje for drift i en omgivelse med høyt trykk og som sørger for rask reaksjonstid på avfølte endringer i temperatur, karakterisert ved at den omfatter minst ett termoelement (12, 14) som har rask reaksjonstid på av-følte temperaturendringer, en første beskyttende armaturdel (30) som har minst én aksial kanal (54, 56; 62, 64) som strekker seg langs lengden av armaturdelen, idet termoelementet er beskyttet ved at det er i det minste delvis anbragt 1 den aksiale kanal, idet termoelementet har en temperaturfø lende ende (18, 20) som rager noe utenfor den første armaturdels (30) ene ende for å sette den i stand til å avføle temperaturen i det umiddelbart tilgrensende område uten å påvirkes for mye av den første armaturdels temperatur, en andre beskyttende armaturdel~ (32) som er utformet med en aksial boring (34), idet den første armaturdels andre ende er anbragt i boringen, og idet termoelementet strekker seg gjennom boringen, og en anordning for tettende sammenføyning av den første armaturdels (30) andre ende med den andre armaturdel (32) i den nevnte boring (34), for å danne en høytrykkstet-ning mellom de første og andre armaturdeler.

2. Termoelementmontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at de første og andre armaturdeler (30, 32) hver har en i hovedsaken sylindrisk form.

3. Termoelementmontasje ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at anordningen for tettende sammenføyning av armaturdelene omfatter midler for lodding av den første armaturdels (30) andre ende i den nevnte boring (34) i den andre armaturdel (32) .

4. Termoelementmontasje ifølge krav 3, karakterisert ved at termoelementet (12, 14) er fastloddet i den aksiale kanal (54, 56; 62, 64) i nærheten av den loddede forbindelse mellom de første og andre armaturdeler, idet termoelementet er fastloddet i den aksiale kanal nær den første armaturdels andre ende, idet et parti av termoelementet strekker seg mellom de to områder hvor det er fastloddet i den aksiale kanal, slik at det er fritt bevegelig i forhold til den aksiale kanal for å tillate en forskjell i varmeutvidelse mellom termoelementet og den første armaturdel. .

5. Termoelementmontasje ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den andre armaturdel (32) har et utvendig gjenget parti (40) langs.en del av sin aksiale lengde, og en aksial boring (38) i hvilken termoelementet strekker seg.

6. Termoelementmontasje ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den aksiale kanal (54, 56) er dannet i den ytre overflate av den første armaturdel (30).

7.. Termoelementmontasje ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den aksiale kanal (62, 64) er en boring som strekker seg aksialt inne i den første armaturdel (30).

8. Termoelementmontasje ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter to av de nevnte termoelementer (12, 14), og at to aksiale kanaler (54, 56; 62, 64) er dannet i parållelt adskilt forhold i den første beskyttende armaturdel (30) og strekker seg aksialt langs denne, idet hver aksial kanal er innrettet til å oppta et respektivt av termoelementene (12, 14).

9. Termoelementmontasje ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at termoelementet (10, 60) er et forholdsvis tynt, i hovedsaken sylinderformet termoelement.