Thermowell là gì? Kiến thức đầy đủ [A-Z]

Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị hữu ích trong việc đo lường sự biến đổi về nhiệt trong một môi trường nào đó, nhưng với những môi trường có nhiệt độ cao, môi trường acid, có khả năng ăn mòn, xói mòn thì sao? Trong bài viết này, Vimitech.vn bọn mình sẽ giới thiệu cho các bạn về 1 công cụ hỗ trợ hoàn hảo giúp cảm biến nhiệt độ có thể “sống sót” trong những môi trường khắc nghiệt trên, đó là Thermowell. Thermowell là gì? đặc điểm như thế nào, công dụng ra sao? hãy cùng bọn mình tìm hiểu nhé!

1. Thermowell là gì?

Định nghĩa Thermowell là gì?

Thermowell là một phụ kiện hình trụ được sử dụng với mục đích bảo vệ các cảm biết nhiệt độ như: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở hay nhiệt kế khỏi bị ảnh hưởng từ áp suất cao, độ ăn mòn. Nó bảo vệ nhiệt kế khi đo nhiệt độ cũng như bảo vệ chất lỏng khỏi nhiễm bẩn.

Thermowell là một ống hồi lưu có đầu kín được thiết kế để chèn một bộ phận cảm biến nhiệt độ và được trang bị phương tiện để gắn chặt áp suất vào bình -Theo định nghĩa thuật ngữ của ASTM (Hiệp hội thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ)

Thermowell hoạt động như một rào chắn bảo vệ giữa các thiết bị đo nhiệt độ và chất lỏng cũng như chất lỏng từ không khí bên ngoài, giúp kéo dài tuổi thọ của cảm biến. Nó được khuyến nghị sử dụng khi một thiết bị được đưa vào một quy trình mà trong đó lực ăn mòn, áp suất, mài mòn hoặc lực cắt có thể đe dọa đến tuổi thọ của thiết bị. Đồng thời, nó cho phép loại bỏ một thiết bị bị lỗi mà không cần làm gián đoạn quy trình (tắt thiết bị, rút cạn).

Cách thức hoạt động của Thermowell là gì?

Thermowell được gắn xuyên qua thành bình hoặc đường ống và kéo dài vào chất lỏng xử lý cho đến điểm đo nhiệt độ. Thiết bị cảm biến được đưa vào trong giếng nhiệt từ bên ngoài, cho phép nó có thể thâm nhập vào mà không làm gián đoạn quy trình. Nhiệt độ được truyền từ thành của giếng nhiệt, cuối cùng đến vỏ bọc và cảm biến khi nó tiếp xúc với chất lỏng xử lý. Khi đạt trạng thái cân bằng, cảm biến cung cấp một phép đo đại diện cho nhiệt độ của chất lỏng..

Nếu nhiệt độ của chất lỏng thay đổi thì nhiệt độ mới này phải đi qua tất cả các lớp đó. Quá trình này có thể phải mất từ vài giây đến nhiều phút. Tuy nhiên do có ít hệ thống trải qua những dao động nhiệt độ đột ngột như vậy nên nó hoàn toàn phù hợp với phần lớn ứng dụng thực tế.

Các nguyên liệu tạo thành và cách lựa chọn vật liệu

Thông thường, một Thermowell (giếng nhiệt) được làm từ nguyên liệu là thanh kim loại, có rãnh để nhận cảm biến nhiệt độ, có vít hoặc mặt bích để gắn. Đầu bên trong của giếng nhiệt có thể có đường kính giảm để cải thiện tốc độ phản hồi. Đối với áp suất và nhiệt dộ thấp, Teflon có thể được sử dụng để tạo ra giếng nhiệt. Thermowell thường có các thành phần bao gốm: đồng thau, thép cacbon, thép không gỉ, Monel, Carpenter 20 (niken- sắt- crom austenit), Hastelloy, Inconel, Incoloy, Nickey và Titanium.

Vì khối lượng của giếng nhiệt phải được làm nóng đến nhiệt độ xử lý và do thành của giếng nhiệt dẫn nhiệt ra khỏi quy trình nên độ chính xác và tốc độ phản hồi của cảm biến cũng bị ảnh hưởng.

Cách lựa chọn vật liệu 

Lựa chọn vật liệu phù hợp rất quan trọng trong việc quyết định tuổi thọ của một Thermowell. Việc sử dụng vật liệu nào còn tùy thuộc vào loại hóa chất, nhiệt độ và tốc độ của dòng chảy mà nó phải tiếp xúc. Một số vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất để xây dựng các giếng nhiệt có thể kể đến như:

• Thép cacbon: có khả năng chống lại các chất ăn mòn thấp, tuy nhiên nó bị giới hạn khi ứng dụng trong môi trường có nhiệt độ và áp suất thấp.
• Thép crom/ molypden: Là loại thép không gỉ có độ bền cao và được sử dụng các bình chịu áp lực, việc bổ sung molypden giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn.
• Ổ cắm hàn
• Thép không gỉ: là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho Thermowells. Giếng nhiệt bằng thép không gỉ tiết kiệm chi phí và có khả năng chịu nhiệt và độ ăn mòn cao.
• Incoloy
• Inconel
• Monel
• Hastelloy
• Hợp kim Haynes: Hợp kim Haynes bao gồm: coban, niken, crom, vonfram. Loai hợp kim này thường được sử dụng cho các môi trường có chứa sunfua hóa, cacbon hóa và clo.
• Titanium

Tóm lại, việc lựa chọn vật liệu rất quan trọng cho quá trình ngăn ngừa hỏng hóc và duy trì tuổi thọ. Vật liệu giếng nhiệt thường được chọn lựa dựa theo việc xem xét nhiệt độ được nhúng vào, điều kiện ăn mòn của môi trường đó. Điều quan trọng là bạn phải nắm được các yếu tố này khi chọn một nguyên vật liệu Thermowell cụ thể

Ví dụ: Khi cần sử dụng thiết bị làm Thermowell có thể làm việc được trong môi trường có nhiệt độ và áp suất thấp, không nên chọn thép cacbon bởi khả năng làm việc của nó bị giới hạn trong môi trường này, vì vậy có thể gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của sản phẩm cũng nhự độ hiệu quả của công việc.

2. Các loại Thermowell phổ biến nhất là gì? 

Các loại Thermowell dựa trên kết nối

Các Thermowell (giếng nhiệt) được phân loại dựa trên mối liên kết của chúng với thiết bị đo. Hiên nay, trên thị trường có các loại giếng nhiệt phổ biến như

• Ren (Threaded thermowells):

Được vặn vào quy trình hoặc trực tiếp vào thành ống có vòi hoặc vào lỗ ren của giếng nhiệt. Giếng nhiệt có ren thường có giá cả hợp lý và khả năng dễ thích nghi nhất.

Ứng dụng của nó thường liên quan đến các quy trình chống ăn mòn như đo nhiệt độ sắt nóng chảy nhằm bảo vệ các ren không bị gỉ. Ngoài ra, Thermowell dạng kết nối ren còn được tìm thấy nhiều trong các lĩnh vực: nhà máy giấy và bột giấy, nhà máy lọc dầu, nhà máy điện, giàn khoan, cơ sở hóa chất và cơ sở kiếm soát áp suất nước, nước thải.

• Mối hàn dạng ổ cắm (Socket weld thermowell):

Một giếng nhiệt hàn ổ cắm thường được hàn vào một ổ cắm hàn, nhưng giếng nhiệt có thể được hàn trực tiếp vào thành ống.

Các kết nối giếng nhiệt hàn dạng ổ cắm được sử dụng trong các ứng dụng có nhiệt độ và áp suất cực cao nhờ các mối nối hàn dạng ổ cắm mang lại khả năng chống lại áp suất và không chịu tác động của nhiệt độ cao. Trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, có thể sử dụng các mối nối Thermowell hàn vì mối nối ổ cắm giúp ngăn chặn không cho các tạp chất hoặc không khí đi qua, điều này có thể quyết định trực tiếp đến chất lượng thực phẩm hoặc thuốc được sản xuất.

• Mối hàn (Weld-in thermowell): Mối hàn trong giếng nhiệt được hàn trực tiếp vào bình xử lý hoặc đường ống
• Mặt bích (Flanged Thermowell): Một giếng nhiệt có mặt bích được gắn vào một mặt bích kết nối trên một vòi ống

Các loại Thermowell dựa trên thiết kế thân

• Dạng thẳng (Straight thermowells): đường kính của giếng nhiệt thẳng không đổi trong suốt chiều dài chèn của mình, vì vậy nên nó rất dễ thi công, với độ cứng tốt và tác dụng chống xói mòn, ăn mòn.
• Giếng nhiệt dạng bậc thang (Stepped Thermowell): Các giếng nhiệt bậc thang có đường kính bậc, chúng thường có đường kính lớn hơn ở phần đầu trên (3/4 inch) và nhỏ hơn ở đầu dưới (1/2 inch). Những thermowell dạng bậc thang này cung cấp vận tốc mượt mà hơn cũng như độ phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ nhanh hơn so với thermowell dạng thẳng do quán tính nhiệt ít hơn ở cuối quy trình.
• Dạng côn (Tapered Thermowells): Một giếng nhiệt hình côn có đường kính thay đổi trong toàn bộ chiều dài phần chèn của nó. Do độ dày thành nhỏ, nó phù hợp với các ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi nhanh
• Các Thermowell tích hợp (Built-up thermowells): Các giếng nhiệt tích hợp phù hợp với các cặp nhiệt điện cần lắp vào các bình dài hơn, sâu hơn với thể tích lớn hơn, có rất nhiều loại giếng tích hợp, chúng đều có điểm chung là một đường ống được hàn giữa đầu và bộ phận kết nối để đạt được chiều dài dải hơn.

Một số loại Thermowell khác

• Giếng nhiệt nguyên thanh (Bar Stock Thermowells): Là những giếng nhiệt được làm từ nguyên liệu dạng thanh (thường là kim loại thô, tinh khiết) được gia công và khoan.
• Giếng nhiệt mở rộng trễ (Lagging Extension Thermowells): Phần mở rộng trễ được sử dụng như các loại giếng nhiệt có chuôi khác. Các giếng nhiệt mở rộng trễ được ứng dụng khi sử dụng vật liệu cách nhiệt để bao phủ tàu hoặc hệ thống đường ống.

3. Ưu và nhược điểm của Thermowell là gì?

Ưu điểm

• Bảo vệ thiết bị: Giúp bảo vệ và cách ly thiết bị cảm biến nhiệt độ với môi trường có thể gây hại cho nó (hóa chất, ăn mòn, xói mòn, nhiệt độ cao,…)
• Tăng hiệu quả hoạt động
• Giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị: Việc bảo vệ “tận răng” của Thermowell cho các thiết bị sẽ giúp chúng kéo dài tuổi thọ lên mức tối đa.
• Giảm chi phí bảo dưỡng: Giếng nhiệt làm kín quy trình nên không bị nhiễm bẩn từ các tác nhân bên ngoài có thể xâm nhập vào, điều này giúp giảm chi phí bảo dưỡng.
• Dễ dàng thay thế cảm biến nhiêt: Một lợi thế vận hành của Thermowell là quá trình theo dõi nhiệt độ của nó hoàn toàn độc lập với thiết bị cảm biến nhiệt độ, điều này có nghĩa là khi thiết bị cảm biến nhiệt được lấy ra và thay thế, giếng nhiệt vẫn có thể chứa quá trình này khi việc thay thế diễn ra. Do đó, ngoài việc nhiệt độ không được đo lường trong quá trình thay thế thì việc tháo cảm biến không ảnh hưởng đến hoạt động.

Nhược điểm

• Tăng chi phí đầu tư ban đầu để trang bị Thermowell
• Thermowell yêu cầu những kỹ thuật chính xác để có thể hoạt động
• Thông số đo lường của thiết bị cảm biến sẽ không chính xác tuyệt đối vì nhiệt độ phải truyền qua 2 lớp kim loại. Ngoài ra, khi có sự thay đổi về nhiệt độ trong môi trường đo, sẽ mất một khoảng thời gian (vài giây cho đến vài phút) để cảm biến nhiệt có thể đo lường.

4. Các phương pháp lắp đặt

Tùy vào tính ứng dụng, có 4 phương pháp lắp đặt phổ biến

• Thermowell có ren: được kết nối với đường ống hoặc bình chứa, nó cho phép việc lắp đặt và tháo gỡ đơn giản.Đây là phương pháp lắp phổ biến nhất, tuy nhiên áp suất thấp và dễ bị rò rỉ là một trong những hạn chế của phương pháp này.
• Thermowell loại hàn: Được sử dụng trong các môi trường có tốc độ dòng chảy, nhiệt độ hoặc áp suất cao, loại giếng nhiệt này thường được hàn vĩnh viễn, đó cũng là điểm trừ bởi vì rất khó để tháo ra và yêu cầu phải cắt giếng nhiệt ra khỏi hệ thống.
• Thermowell mặt bích: Được hàn vào ống hoặc bắt vít vào mặt bích, được sử dụng trong môi trường có vận tốc chất lỏng, nhiệt độ và độ ăn mòn lớn.
• Van Stone: Được nối giưa mặt bích đối tiếp và mặt bích lỏng, nó có khả năng sử dụng các vật liệu khác nhau cho giếng nhiệt tiếp xúc với quy trình và mặt bích bao phủ, giúp tiết kiệm chi phí cho nhiên vật liệu cũng như sản xuất.

Lưu ý khi lắp đặt:

Khi lắp đặt một Thermowell thông qua môi trường cách nhiệt trên đường ống hoặc bộ phận của máy móc,phải xem xét một số yếu tố để tránh sai sót:

• Các giếng nhiệt có thể bị hỏng do kỹ thuật hàn kém hoặc do đo kích thước giếng nhiệt không đúng cách.
• Thermowell không tương thích với thiết bị đo hoặc nhiệt độ làm việc.
• Lỗi rung động có thể xảy ra do sự không tương thích của Thermowell với tốc độ xử lý trong hệ thống đường ống. Bất kỳ rung động nào cũng sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chứa cảm biến và khả năng đo đạc nhiệt độ chính xác của cảm biến.

Điều quan trọng cần lưu ý nữa là khoảng cách giữa đường kính trong của giếng nhiệt (ID) và đường kính ngoài của vỏ bọc cặp nhiệt điện (OD) phải cực kì nhỏ để tăng độ nhạy cảm của cặp nhiệt độ. Ngoài ra lỗ khoan của giếng nhiệt cần phải đồng nhất và tuyến tính để dễ dàng đưa cặp nhiệt điện vào trong quá trình lắp đặt.

5. Cách để chọn Thermowell là gì?

Ngoài việc lựa chọn vật liệu và lưu ý khi lắp đặt, khi chọn Thermowell, cần phải lưu ý đến các yếu tố khác như: thông số kỹ thuật, và thiết kế.

Thông số kỹ thuật 

Để chọn lựa Thermowell tốt nhất cho bất kì ứng dụng thực tiễn nào, các thông số kỹ thuật khác nhau phải được hiểu và cân nhắc. Một số yêu cầu cần phải tính đến như:

• Kích thước gốc Thermowell (Thermowell Root Dimension) (Q): Kích thước gốc của giếng nhiệt là phần dày nhất của giếng nhiệt được lắp vào thành ống. Kích thước của bộ phận kết nối và đường kính lỗ khoan đều phải tương quan với kích thước giếng nhiệt này.
• Chiều dài nhúng của Thermowell (Thermowell Immersion Length) (U): Chiều dài nhúng của giếng nhiệt là khoảng cách giữa đầu của giếng nhiệt và đế của bộ phận kết nối.
• Kích thước lỗ khoan của Thermowell (Thermowell Bore Size) (V): Kích thước lỗ khoan của giếng nhiệt là đường kính bên trong của nó. Đường kính lỗ khoan tiêu chuẩn cho Thermowell là 0.260 inch và 0.385 inch bởi lẽ các kích thước này chứa các cảm biến có kích thước tiêu chuẩn với đường kích 0.25 inch hoặc 0.38 inch.
• Chiều dài phần mở rộng trễ của Thermowell (Thermowell Lagging Extension Length) (T): Chiều dài của giếng nhiệt trễ đề cập đến phần của giếng nhiệt kéo dài ra bên ngoài thành ống sau khi lắp vào, chiều dài này thường là phần mở rộng của chiều dài lục giác giếng nhiệt và thường được xác định bởi đầu lạnh của bộ phận kết nối.
• Chiều dài lục giác (The Hex length) (P): Phép đo chiều dài lục giác là khoảng cách giữa đỉnh của ren lắp và đầu của thân
• Đầu dò của cặp nhiệt điện (Thermowell Probe): Đầu dò cặp nhiệt điện là một ống kim loại có chứa dây của cặp nhiệt điện. Đầu dò cặp nhiệt điện và giếng nhiệt thường có thể kéo dài xuyên qua lớp cách nhiệt hoặc thành do chiều dài mở rộng trễ. Vỏ bọc của đầu dò là thuật ngữ được dùng để mô tả thành ống. Các vật liệu thường được sử dụng cho vỏ bọc bao gồm thép và các vật liệu phổ biến khác.

Thiết kế của Thermowell

Các Thermowell phải được thiết kế để phù hợp với môi trường cụ thể hoặc các yếu tố (áp suất, nhiệt độ, vận tốc, trọng lượng riêng khác nhau,… Ngoài ra, các yếu tố này còn phụ thuộc vào:

• Đúng MOC (Material of construction): Khi thiết kế giếng nhiệt, phải chọn đúng vật liệu để giảm độ nhạy của cặp nhiệt điện.
• Độ dày của thành so với thời gian phản ứng: Độ dày của thành càng tăng, độ nhạy cảm biến càng giảm, kéo theo thời gian cảm biến tăng. Do đó, khi thiết kế Thermowell phải có độ dày thành nhỏ để thiết bị cảm biến có thời gian cảm biến nhanh hơn.
• Đường kính của lỗ khoan và chiều dàn của miếng chèn: phải lớn hơn một chút so với đầu dò cảm biến để nó có thể dễ dàng lắp vào.

6. Kết luận

Tóm lại, Thermowell là một công cụ hỗ trợ không thể thiếu đối với các thiết bị cảm biến khi phải hoạt động ở môi trường khắc nghiệt, với ưu điểm chính là màng ngăn giữa thiết bị cảm biến với các chất trong môi trường đo có thể gây hại đến tuổi thọ của sản phẩm, tuy nhiên nhược điểm chính lại là giảm độ nhạy của thiết bị đo do nhiệt phải đi qua 2 lớp. Thermowell rất đa dạng về chủng loại cũng như cách lắp đặt, tùy vào mục đích ứng dụng và môi trường hoạt động để người dùng có thể chọn nên dùng loại Thermowell nào để đảm bảo hiệu quả và tính an toàn.

Hi vọng qua bài viết trên, các bạn đã hiểu rõ hơn về Thermowell là gì? công dụng của nó như thế nào trong cuộc sống. Cùng chờ đợi những bài viết tiếp theo của Vimitech bọn mình nhé!