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工業(yè)自動化領(lǐng)域目前大量使用熱電偶和熱電阻， 無論是傳統(tǒng)產(chǎn)品還是各種各樣的耐磨產(chǎn)品， 其保護(hù)套管外形全部是圓形或是根部較粗前部較細(xì)略帶錐度的圓錐形。這種外形結(jié)構(gòu)的保護(hù)套管加工方法簡單， 相應(yīng)的制造成本低廉， 但是在工業(yè)現(xiàn)場安裝使用于管道或設(shè)備內(nèi)時， 其阻力大、強(qiáng)度低、 不耐沖刷和磨損， 在流速較高的場合套管根部還容易斷裂， 所以使用壽命短。這不但給工礦企業(yè)增加購置成本和停車更換的成本， 而且增加了維修工的勞動量。為此， 許多專業(yè)人士一直在對熱電偶/熱電阻保護(hù)套管的高強(qiáng)度和耐磨性進(jìn)行研究， 但是幾乎全部局限于對材質(zhì)的選擇和對特種材料配方的研究， 而選用的材料材質(zhì)越特殊， 其制造成本就越高， 盡管制造出來的熱電偶/熱電阻保護(hù)套管有一定的耐磨效果， 但效果還不是很理想。保護(hù)套管在安裝應(yīng)用時， 迎流側(cè)、 前端部、 保護(hù)套管與管壁的交接處和套管根部磨損zui為嚴(yán)重。
1、保護(hù)套管在流體中的受力分析
一種使用效果較好的特殊材料制成的套管產(chǎn)品在使用一段時間后的磨損如圖 1 所示。
保護(hù)套管損壞主要是因為套管在使用中因較高溫度、 較強(qiáng)腐蝕和介質(zhì)沖刷造成的損壞， 主要表現(xiàn)在斷裂和磨損泄漏。造成套管損壞的外力主要是介質(zhì)對套管的摩擦阻力和壓差阻力， 根據(jù)牛頓第三運動定律， 繞流物體對流體的阻力和流體作用于物體的力大小相等方向相反， 所以研究造成套管損壞的摩擦阻力和壓差阻力， 可以等效為研究繞流物體對于流體的阻力。
摩擦阻力來源于物面粘性切應(yīng)力的合力， 壓差阻力是物面上壓力的合力在流動方向上的分量。一般說來， 當(dāng)流體流動處于層流狀態(tài)時， 流動尚未發(fā)生分離， 總阻力主要表現(xiàn)為摩擦阻力， 這是造成套管損壞的主要力;當(dāng)流動開始發(fā)生分離， 但分離較小， 且流動仍處于層流狀態(tài)時， 這時摩擦阻力和壓差阻力具有同等重要性;隨著流動分離的加劇， 壓差阻力越來越占主導(dǎo)地位。
2、流線型保護(hù)套管的設(shè)計理論
根據(jù)流體力學(xué)， 各種繞流現(xiàn)象與相應(yīng)的阻力系數(shù) C D 見表 1。各種物型的阻力系數(shù)中， 非流線型物體的阻力系數(shù)試驗值的結(jié)果是:圓柱和半管二元物型的阻力系數(shù)是 1． 20， 方形柱的阻力系數(shù)是 2． 00， 橢柱的阻力系數(shù)是 0． 20 ～ 0． 46。據(jù)此，傳統(tǒng)圓柱形套管的阻力系數(shù)較高， 而接近于流線型的橢柱阻力系數(shù)較低。根據(jù)表 1 中的試驗數(shù)據(jù)還可以看出， 二元物型的阻力系數(shù)主要決定于迎流側(cè)的形狀和尺寸， 如圓柱、 半管、 方柱及平板等迎流側(cè)幾何形體一樣， 阻力系數(shù)基本相同。那么，是否有比橢柱阻力系數(shù)更小的呢?
橢柱流型變形后的水滴形流線型體在風(fēng)洞實驗中所做的阻力測量結(jié)果如圖 2 所示， t 表示水滴形流線型體的厚度， l 為弦長。分別考察摩擦阻力、 壓差阻力和總阻力的變化規(guī)律， 當(dāng) t/l 減小時，壓差阻力雖然減小， 但摩擦阻力上升更快;當(dāng) t/l增大時， 摩擦阻力減小， 但壓差阻力急劇上升。兩者均使總阻力增大。將水滴形流線型體與相同厚度的圓柱體相比， 前者的zui小阻力系數(shù)只有后者
zui小阻力系數(shù)的 1/5;當(dāng)流線型體的厚度和弦長之比為 0． 25 時， 流線型體在流體中的摩擦阻力與壓差阻力的合力zui小。
3、流線型保護(hù)套管的設(shè)計
根據(jù)上述理論， 設(shè)計了水滴形流線型保護(hù)套管， 套管截面如圖 3 所示。這是理想的流線型設(shè)計， 套管截面外形是前圓后尖， 表面光滑， 略像水滴形狀的流線型， 流線型套管的厚度和弦長的比值為 0． 25。參考圖 2 中的曲線， 可以根據(jù)不同的目的設(shè)計具體的 t/l 值， 如需分別降低摩擦阻力、 壓差阻力和總阻力時， t/l 可以取大于 0． 25、 小于 0． 25 和等于 0． 25。
但是， 按照圖 3 設(shè)計的套管， 制造比較麻煩，因為弦長較長時套管背流側(cè)也會較長， 制造時浪費材料， 同時由于單位長度的重量較大， 也給安裝使用帶來諸多不便。
考慮到熱電偶/熱電阻的使用目的， 耐磨是zui主要的性能之一， 對流體的阻力可以忽略不計， 所以可以對理想的水滴形流線型進(jìn)行優(yōu)化。
根據(jù)機(jī)翼在風(fēng)洞中的實驗， 當(dāng)風(fēng)速為 210min/h時， 機(jī)翼圓頭朝前時機(jī)翼的阻力系數(shù)為 1;機(jī)翼尖頭朝前時， 阻力則為前者的兩倍。這是因為機(jī)翼圓頭朝前時產(chǎn)生的渦流區(qū)遠(yuǎn)小于機(jī)翼尖頭朝前時的情況。考慮保留理想的水滴形流線型摩擦阻力zui小的特點， 以犧牲一部分壓差阻力為代價， 設(shè)計套管插入設(shè)備或管道內(nèi)部的迎流側(cè)是流線型水滴形或流線型彈頭形， 而背流側(cè)可以是與迎流側(cè)呈對稱的幾何形狀， 也可以是其他光滑線型或者平頭形狀， 如圓形、 橢圓形、齊平形及拋物線形等， 如圖 4 所示。
這樣在犧牲一部分壓差阻力對套管的影響后， 仍然可以保證摩擦阻力zui小， 同時沿流向方向套管的機(jī)械強(qiáng)度比傳統(tǒng)圓形套管要高得多。并且迎流側(cè)采用流線型設(shè)計， 還能使套管在使用中的繞流阻力系數(shù)比其他套管形狀(如常規(guī)的圓形)要小， 從而達(dá)到阻力zui小、 摩擦力也zui小、 使用壽命相應(yīng)延長的效果。
目前， 傳統(tǒng)圓柱形套管為了各種需要， 有軸向等徑形或根部較粗前端部較細(xì)略帶錐度的錐形等形狀， 流線型套管設(shè)計也可以做到這一點。
4、流線型保護(hù)套管的安裝使用
按照上述形狀設(shè)計的保護(hù)套管， 在背流側(cè)與迎流側(cè)采用對稱的幾何形狀時， 可以在套管的過程連接螺紋或法蘭處做一方向指示標(biāo)記， 在新安裝套管時按照方向指示確定套管安裝方向。在一支套管使用一段時間后， 根據(jù)經(jīng)驗積累估計迎流側(cè)磨損較嚴(yán)重時， 可以按照方向指示， 對調(diào)背流側(cè)與迎流側(cè)的相對位置， 這樣可以把一支耐磨套管當(dāng)成兩支使用， 使一只套管的實際壽命再延長一倍。方向指示標(biāo)記可以是附著于過程連接件上的突出物、 凹槽、 刻劃線及箭頭等， 方向指示標(biāo)記設(shè)計如圖 5 所示。
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