WIKA a effectué une série de tests – sur le terrain et à l’aide de la dynamique des fluides numérique – pour évaluer la précision des thermocouples Tubeskin (TSTC) lorsqu’ils sont installés sur une platine de raccordement par rapport à un tube nu. Nous avons également fait varier l’orientation du matériau de soudure (transversale ou longitudinale), ses valeurs d’émissivité (ε = 0,45, 0,67 et 0,85) et soumis les sondes à différentes conditions de fonctionnement (cuisson à 6,9 MMBtu/hr et 12,7 MMBtu/hr).

Sur la base de ces données, nous sommes parvenus à plusieurs conclusions ainsi qu’à deux moyens d’améliorer la précision des TSTC lorsque les capteurs ne sont pas installés directement sur un tube de four nu.

L’impact des platines de raccordement sur la précision des thermocouples Tubeskin : Observations et moyens d’améliorer la précision

Les données recueillies nous permettent de faire les observations suivantes :

  • La finition de la surface de la platine de raccordement a un impact certain sur la distribution de la température et, par conséquent, sur la précision du thermocouple qui y est monté. L’augmentation de la valeur d’émissivité de la platine de raccordement ²de 0,67 à 0,85 a fait varier sa température de surface de 6°C et a augmenté son écart de température (par rapport au tube nu) de 6°C (voir tableau 2).
  • Quelle que soit la valeur d’émissivité de la platine de raccordement, le produit installé sur une platine de raccordement donne des valeurs plus élevées que lorsqu’il est installé sur un tube nu. L’ampleur de l’écart par rapport à la valeur réelle est spécifique au produit.
  • Sur un tube nu, le produit blindé semble avoir un écart de température plus élevé que la version non blindée à un niveau d’utilisation élevé (voir tableau 4). Il est à noter que les produits blindés, dont la température est légèrement inférieure à la température réelle du Tubeskin, peuvent maintenant potentiellement donner de meilleurs résultats lorsqu’ils sont installés sur la platine de raccordement.
  • Nous pouvons en déduire que les produits TSTC conçus pour une lecture précise sur des tubes nus afficheront une température plus élevée lorsqu’ils sont installés sur une platine de raccordement intermédiaire, et que l’ampleur de l’écart de température sera déterminée par l’émissivité, la dimension et la conductivité thermique de la platine de raccordement.

Nous avons formulé deux hypothèses pour améliorer les performances du produit lorsqu’il est installé sur une platine de raccordement :

  • Faire varier la conductivité thermique de la platine de raccordement en utilisant différents matériaux de soudure.
  • Réduire l’émissivité de la platine de raccordement par la préparation de la surface.

Pour la simulation CFD suivante, nous avons :

  • augmenté la conductivité thermique de la platine de raccordement de 20 %.
  • réduit la valeur d’émissivité de 0,67 à 0,45.

Le produit TSTC et les dimensions de la platine de raccordement restent inchangés.

Nous avons constaté que l’augmentation de la conductivité thermique de la platine de raccordement et la diminution de son émissivité se traduisaient par une amélioration significative de la précision du produit non blindé (voir tableau 6), de 6°C à 15°C (∆ 9°C) et de +3°C à 16°C (∆ 13°C). Pour le produit blindé, l’amélioration était de 5°C à 7°C (∆ 2°C) et de 6°C à 8°C (∆ 2°C).

Tableau 6 : Écart de température du TSTC non blindé par rapport au TSTC non blindé sur la platine de raccordement ε = 0,45 et condition thermique = 1,2, simulation CFD

N°Chauffe (MMBtu/hr)Température tube nu* Lecture de la température*Ecart de température*
16,9425°C
TSTC non blindé
TSTC blindé
428°C
435°C
-15°C
-7°C
212,7539°C
TSTC non blindé
TSTC blindé
539°C
548°C
-16°C
-9°C

* Les valeurs sont arrondies

Conclusions et prochaines étapes

L’installation d’un thermocouple sur une platine de raccordement intermédiaire est une bonne idée pour des raisons métallurgiques, mais elle s’accompagne d’une pénalité en termes de précision. Cela dit, les produits dont la température est normalement inférieure à la température réelle seront plus élevés qu’auparavant sur une platine de raccordement ; selon la conception du produit, ils peuvent même se rapprocher de la température réelle ou être plus élevés que celle-ci. De même, pour les produits qui donnent des mesures plus hautes que la température réelle, l’écart de température est encore plus grand lorsque le thermocouple est installé sur une platine de raccordement.

La variation des propriétés physiques de la platine de raccordement, telles que l’émissivité et le matériau de recouvrement, peut améliorer la précision d’un TSTC. Toutefois, l’efficacité de ces mesures est propre au produit installé ; des essais et des analyses CFD seraient nécessaires pour parvenir à une solution optimale.

Le but ultime, bien sûr, est d’utiliser les informations et les enseignements de ce projet pour guider les clients dans la conception de solutions de mesure de la température pour leurs chauffages spécifiques à combustion, leurs conditions de fonctionnement, leurs tubes de four et leurs thermocouples Tubeskin.

 

WIKA, expert dans la mesure de température avec des thermocouples Tubeskin

WIKA est un leader mondial des solutions de mesure de température pour les applications en aval dans l’industrie du pétrole et du gaz. Outre la fabrication et la personnalisation de thermocouples de peau et de thermocouples multipoints de haute qualité pour les unités de raffinage, nous proposons plusieurs services destinés à améliorer les opérations d’une usine :

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