Non-Intrusive Temperature Measurement for Liquid Flow Using Compensators of Pipelines

Abstract

The article presents the results of a numerical study that aimed to accuracy improvement for non-intrusive measurements of the liquid flow temperatures in standard pipelines compensators. Non-intrusive measuring devices are one of the modern promising and profitable tools that stimulate the improvement of technologies and the involvement of world corporations in this sphere, while the growing intellectualization of measurements positively affects the safety and efficiency of the industry. The numerical study result is consistent with the results of laboratory tests and shows the general regularity of flow velocity effect the error of non-intrusive temperature measurements. Shown that measurements after the upper or lower elbow of the compensator makes possible to reduce the measurement error in the Reynolds (Re) range of about 1000–7000, which is characteristic for the onset of turbulent flow of a liquid. Also shown that gravity negatively affects the accuracy of measurements, so preference should be given to horizontally located compensators. Obtained that the flow in pipeline determines the largest temperature change in the wall region of the pipe for relatively high Re, and along the pipeline axis for small Reynolds numbers. In combination with the flow characteristics in the compensator, it changes temperature distribution and error, depending on the flow velocity in the pipeline. In particular, this effect determines error decreasing for temperature measurement in the compensators at low Re numbers. The existing surface temperature sensors, with correction the surface temperature measurements to the flow temperature, require calibration to work on flows with Re numbers varying over a wide range, and binding these measurements to pipeline compensators can improve the quality of measurements due to smoothing and, fluctuation thermal and hydrodynamic influences. Приводятся результаты численного исследования, которое направлено на повышение точности неинтрузивных измерений температуры жидкой среды в трубопроводах на основе использования типовых компенсаторов. Неинтрузивные средства измерений являются одними из современных перспективных и выгодных в эксплуатации средств, которые стимулируют совершенствование технологий и вовлечение в их разработку мировых приборостроительных корпораций, при этом растущая интеллектуализация измерений положительно сказывается на безопасности и эффективности работы промышленности. Проведенное численное исследование согласуется с данными натурных измерений и показывает общую закономерность влияния скорости потока на погрешность неинтрузивных измерений температуры. Показано, что проведение измерений после верхнего или нижнего колена компенсатора позволяет снизить погрешность измерений в диапазоне чисел Рейнольдса (Re) примерно 1000–7000, что характерно для начала турбулентного течения жидкости. Показано также, что гравитация отрицательно влияет на точность измерений, поэтому предпочтение надо отдать горизонтально расположенным компенсаторам. Обнаружено, что течение потока по трубопроводу при сравнительно больших числах Рейнольдса определяет наибольшее изменение температуры в пристеночной области трубы, а при малых числах Re – по оси трубопровода. Это в сочетании с особенностями течения в компенсаторе меняет характер распределения температур и изменения погрешности в зависимости от скорости течения потока в трубопроводе. В частности, этот эффект определяет уменьшение погрешности измерения температуры в компенсаторе при малых числах Re. Существующие накладные датчики температуры, имеющие коррекцию поверхностных измерений температуры в температуру потока, требуют доработки для работы на потоках с числами Re, изменяющимися в широком диапазоне, при этом привязка таких измерений к трубопроводным компенсаторам может повысить качество измерений за счет сглаживания и, в том числе, флуктуационных тепловых и гидродинамических воздействий.