تخطيط خطوط إرجاع المكثفات

الاعتبارات المحيطة بتصميم وخطط أنابيب إرجاع المكثفات، بما في ذلك خطوط التصريف إلى صمامات البخار، وخطوط التصريف من الصمامات، وخطوط الإرجاع المشتركة وخطوط الإرجاع المُضخوحة. تشمل تأثير أنواع الصمامات المستخدمة، وتأثير الضغوط المختلفة وتصريف المكثفات إلى خطوط رئيسية مغمورة.

تخطيط خطوط إرجاع المكثفات

لا يمكن لمجموعة واحدة من التوصيات أن تغطي تخطيط أنابيب المكثفات. يعتمد الكثير على ضغط التطبيق، وخصائص صمام البخار، وموضع خط إرجاع المكثفات بالنسبة للمنشأة، والضغط في خط إرجاع المكثفات. لهذا السبب من الأفضل البدء بالنظر فيما يجب تحقيقه، وتصميم تخطيط يضمن تلبية الممارسات الجيدة الأساسية. الأهداف الرئيسية هي أن:

• لا يُسمح بتراكم المكثفات في المنشأة، ما لم يكن جهاز استخدام البخار مصممًا خصيصًا للعمل بهذه الطريقة. بشكل عام، الأجهزة مصممة للعمل دون غمر، وفي هذه الحالة، سيعيق تراكم المكثفات الأداء ويُشجع تآكل الأنابيب والتجهيزات والمعدات.
• لا يُسمح بتراكم المكثفات في خط البخار الرئيسي. هنا يمكن التقاطها بواسطة بخار عالي السرعة، مما يؤدي إلى تآكل ومطرقة مائية في الأنابيب. ينقسم موضوع أنابيب المكثفات بشكل طبيعي إلى أربعة أنواع أساسية حيث تختلف متطلبات واعتبارات كل منها. تُعرَّف وتُوضَّح هذه الأنواع الأربعة الأساسية في الشكل 14.2.1.

خطوط التصريف إلى صمامات البخار

في خط التصريف، يجب أن تتدفق المكثفات وأي غازات غير قابلة للتكثيف من منفذ تصريف المنشأة إلى صمام البخار. في خط تصريف مُحجَّم بشكل صحيح، تكون المنشأة المُصرَّفة وجسم صمام البخار بنفس الضغط تقريبًا، ونظرًا لذلك، لا تتسارع المكثفات في هذا الخط. الجاذبية هي القوة الدافعة ويُعتمد عليها لإحداث التدفق على طول الأنبوب. لهذا السبب، من المنطقي وضع الصمام أسفل مخرج المنشأة المُصرَّفة، وأن ينتهي أنبوب تصريف الصمام أسفل الصمام. (استثناء لذلك هو لفائف تسخين الخزانات المُناقَشة في الوحدة 2.10). نوع صمام البخار المستخدم (علاجي، ديناميكي حراري، أو ميكانيكي) يمكن أن يؤثر على تخطيط الأنابيب. صمامات البخار العلاجية الصمامات العلاجية سُتبرد المكثفات تحت درجة حرارة التشبع قبل التصريف. هذا يُغرق خط التصريف بالماء فعليًا، مما يسمح غالبًا للمكثفات بالرجوع وطغيان المنشأة. هناك بعض التطبيقات حيث يكون تبريد المكثفات تحت التشبع له مزايا كبيرة ويُشجع عليه. يُنتج بخار متسارع أقل في خط تصريف الصمام، ويكون إدخال المكثفات إلى خط المكثفات الرئيسي أكثر سلاسة. الصمامات العلاجية التي تُفرغ عبر أنابيب مفتوحة الطرف ستهدر طاقة أقل من الصمامات الميكانيكية لأن المزيد من الحرارة المحسوسة في المكثفات المُغمورة بالماء تنقل حرتها إلى العملية؛ مثال نموذجي هو خط التدفئة بالتتبع. لا يجب استخدام الصمامات العلاجية لتصريف خطوط البخار الرئيسية أو المبادلات الحرارية، ما لم يُعطى اعتبار مناسب لخط تصريف أطول و/أكبر يعمل كخزان ويُبدد الحرارة إلى الغلاف الجوي. الطول الإضافي (أو القطر الأكبر) لخط التصريف المطلوب لذلك عادة غير عملي، كما هو موضح في المثال 14.2.1. مثال 14.2.1 سخان هوائي بقدرة 30 كيلوواط سُيُزوَّد بصمام بخار علاجي DN15، يُفرغ المكثفات عند 13 درجة مئوية تحت درجة حرارة التشبع. ضغط العمل العادي 3 بار ضغط معياري، درجة الحرارة المحيطة 15 درجة مئوية، وفقدان الحرارة من خط التصريف إلى البيئة مُقدَّر بـ 20 واط/م2 درجة مئوية. حدد الحد الأدنى المطلوب لطول خط تصريف 15 مم إلى الصمام العلاجي. من جداول البخار، عند 3 بار ضغط معياري:

بما أن الصمام يُفرغ عند 131 درجة مئوية، يجب أن يُطلق خط التصريف حرارة كافية بحيث تكون المكثفات عند مخرج المسخن عند درجة حرارة التشبع، ولن ترجع المكثفات إلى المسخن. يمكن حساب فقدان الحرارة المطلوب من خط التصريف من المعادلة 2.6.5.

سيتحقق فقدان الحرارة هذا من متوسط درجة حرارة المكثفات على طول خط التصريف. متوسط درجة حرارة المكثفات في خط التصريف.

يمكن حساب مساحة السطح لخط التصريف لتوفير فقدان الحرارة المطلوب باستخدام المعادلة 2.5.3.

ملاحظة: سيكون متوسط معدل نقل الحرارة (Q̇M) إذا كان ΔT فرق درجة حرارة متوسط (ΔTLM أو ΔTAM)

ΔT في المعادلة 2.5.3 هو الفرق بين متوسط درجة حرارة المكثفات ودرجة الحرارة المحيطة = 137.5 درجة مئوية - 15 درجة مئوية = 122.5 درجة مئوية Q = 0.768 كيلوواط U = 20 واط/م2 درجة مئوية من المعادلة 2.5.3 0.768 x 103 واط = 20 واط/م2 درجة مئوية x A x 122.5 درجة مئوية لذلك، A = 0.313 م2 يمكن حساب طول الأنبوب المطلوب لتوفير هذه المساحة السطحية باستخدام معلومات من الجدول 2.10.3.

طول الأنبوب هذا (4.7 م) على الأرجح غير عملي في الموقع. يبقى بديلان. أحدهما زيادة قطر خط التصريف، الذي لا يزال عادة غير عملي؛ الآخر أبسط بكثير، تركيب الصمام الصحيح لهذا النوع من التطبيقات؛ صمام عائم-علاجي يُفرغ المكثفات عند درجة حرارة البخار ولا يتطلب بذلك ساق تبريد.

إذا اعتُبر الصمام العلاجي ضروريًا، ومُثبَّت على بعد لا يزيد عن 2 متر من مخرج المسخن، سيكون من الضروري حساب القطر المطلوب لخط التصريف. يبقى فقدان الحرارة المطلوب من الأنبوب هو نفسه، إلى جانب المساحة السطحية الإجمالية للأنبوب، لكن المساحة السطحية لكل متر طول يجب أن تزداد.

المساحة السطحية المطلوبة/طول المتر = 0.157 م2/م

من الجدول 2.10.3، يمكن ملاحظة أن الحد الأدنى لأنبوب يعطي هذه المساحة لكل متر هو أنبوب 50 مم، الذي مرة أخرى قد يُعتبر غير عملي ومكلف للتصنيع. الخلاصة من هذا هي أنه عادة أسهل وأرخص اختيار الصمام الصحيح للعمل، من أن يكون نوع الصمام خاطئًا وتصنيع حل حوله. صمامات البخار الديناميكية الحرارية الصمامات التي تُفرغ بشكل متقطع، مثل الصمامات الديناميكية الحرارية، ستتراكم المكثفات بين عمليات التصريف. ومع ذلك، هي متينة للغاية، وتحتمل درجات حرارة التجمد المحيطة ولها مساحة سطحية خارجية صغيرة نسبيًا، مما يعني أن فقدان الحرارة إلى البيئة مُقلَّل. هي غير مناسبة لتصريف المكثفات إلى خطوط الإرجاع المغمورة، كما سيُشرح لاحقًا في هذه الكتلة. صمامات البخار الميكانيكية صمامات البخار الميكانيكية ذات سمة التصريف المستمر، مثل الصمامات العائمة-العلاجية، غالبًا ما تُثبت أنها الخيار الأفضل، ولها ميزة إضافية بقدرتها على تفريغ الهواء. معظم الصمامات العائمة متوفرة بتكوينين أساسيين للتدفق، إما تدفق أفقي أو عمودي عبر الصمام. بعض الصمامات ذات الدلو المقلوب لديها مدخل سفلي ومخرج علوي. من الواضح أن وصلات الصمامات سؤثر على مسار الأنابيب المتصلة. يجب إبقاء خط التصريف بأقصر طول ممكن، أقل من 2 متر بشكل مثالي. خطوط التصريف الطويلة من المنشأة إلى صمام البخار يمكن أن تملأ بالبخار وتمنع المكثفات من الوصول إلى الصمام. يُسمى هذا التأثير قفل البخار. لتقليل هذا الخطر، يجب إبقاء خطوط التصريف قصيرة (انظر الشكل 14.2.2). في المواقف التي تكون فيها خطوط التصريف الطويلة حتمية، يمكن التغلب على مشكلة قفل البخار باستخدام صمامات عائمة مع أجهزة تحرير قفل البخار. يجب معالجة مشكلة قفل البخار بتركيب طول الأنبوب الصحيح في المقام الأول، إذا أمكن.

الترتيبات المفصلة لتصريف منشآت البخار وتصريف خطوط البخار الرئيسية مختلفة كما يُشرح في الفقرات التالية.

مع منشآت استخدام البخار، يجب أن يسقط الأنبوب من توصيلة المكثفات عموديًا حوالي 10 أقطار أنبوب إلى صمام البخار. بتركيب صمام عائم كروي مُحجَّم بشكل صحيح، سيضمن هذا عدم تراكم ارتفاعات المكثفات في أسفل المنشأة مع مخاطرها المصاحبة للتآكل والمطرقة المائية. سيوفر أيضًا كمية صغيرة من الرأس الثابت للمساعدة في إزالة المكثفات أثناء بدء التشغيل عندما يكون ضغط البخار منخفضًا جدًا. يجب بعد ذلك تشغيل الأنابيب أفقيًا، مع ميل في اتجاه التدفق لضمان تدفق المكثفات بحرية (انظر الشكل 14.2.3).

مع تصريف خطوط البخار الرئيسية، طالما رُكبت جيوب التصريف كما هو موصى في الوحدة 10.3، فيمكن أن يكون خط التصريف بين الجيب وصمام البخار أفقيًا. إذا لم يكن جيب التصريف بالعمق الموصى به، فيجب تركيب صمام البخار مسافة مكافئة تحته (انظر الشكل 14.2.4).

خطوط التصريف من الصمامات

ستحمل هذه الأنابيب المكثفات والغازات غير القابلة للتكثيف والبخار المتسارع من الصمام إلى نظام إرجاع المكثفات (الشكل 14.2.5). يُشكَّل البخار المتسارع مع تصريف المكثفات من المساحة عالية الضغط قبل صمام البخار إلى المساحة منخفضة الضغط لنظام إرجاع المكثفات. (يُناقَش البخار المتسارع بإيجاز في الوحدة 14.1، وبتفصيل أكثر في الوحدة 2.2). يجب أن تنخفض هذه الخطوط أيضًا في اتجاه التدفق للحفاظ على تدفق حر للمكثفات. على الخطوط الأقصر، يجب أن يكون الميل مرئيًا بالعين. على الخطوط الأطول، يجب أن يكون الميل حوالي 1:70، أي 100 مم كل 7 أمتار.

التصريف إلى خطوط الإرجاع المغمورة

لا يُوصى بتصريف الصمامات إلى خطوط الإرجاع المغمورة، خاصة مع صمامات التصريف الانفجاري (الديناميكية الحرارية أو الدلو المقلوب)، التي تُزيل المكثفات عند درجة حرارة التشبع. أمثلة جيدة لخطوط المكثفات المغمورة هي خطوط الإرجاع المُضخوحة وخطوط المكثفات الصاعدة. غالبًا ما تتبع نفس مسار خطوط البخار، ومن المغري ببساطة توصيل خطوط تصريف صمامات البخار الرئيسية بها. ومع ذلك، حجم البخار المتسارع العالي المُطلَق في الخطوط الطويلة المغمورة سيدفع الماء بقوة على طول الأنبوب، مُسببًا مطرقة مائية وضوضاء وتحطم ميكانيكي للأنبوب مع الوقت.

خطوط الإرجاع المشتركة

حيث تتدفق المكثفات من أكثر من صمام إلى نفس نقطة التجميع مثل مستقبل مُهواة، من المعتاد تشغيل خط مشترك تتصل به خطوط تصريف الصمامات الفردية. طالما تُمتَّع التخطيطات الموضحة في الأرقام 14.2.6/7/8 و10، وتُحجَّم الأنابيب بشكل كافٍ كما هو مُشار في الوحدة 14.3، فهذه ليست مشكلة.

صمامات التصريف الانفجاري

إذا استُخدمت صمامات التصريف الانفجاري (الديناميكية الحرارية أو الدلو المقلوب)، فقد تكون قوى التفاعل والسرعات عالية. التفريعات المنحنية ستساعد في تقليل الإجهاد الميكانيكي والتآكل عند النقطة التي ينضم فيها خط التصريف إلى خط الإرجاع المشترك (انظر الشكل 14.2.6).

صمامات التصريف المستمر

إذا لم يكن استخدام التفريعات المنحنية ممكنًا لسبب ما، فإن صمام عائم-علاجي بفعل التصريف المستمر هو خيار أفضل (الشكل 14.2.7). ستمتص الخط المغمور الطاقة المُبددة من التدفق المستمر (الصغير نسبيًا) من الصمام العائم-علاجي بشكل أسهل. إذا كان فرق الضغط بين خطوط البخار والمكثفات عالٍ جدًا، فسيساعد المُبدد في تخميد التصريف، مُقللًا من كل من التآكل والضوضاء.

بديل آخر هو استخدام صمام علاجي يحتفظ بالمكثفات حتى تبرد تحت درجة حرارة تشبع البخار؛ هذا يُقلل من كمية البخار المتسارع المُشكَّل (الشكل 14.2.8).

لتجنب تغمر خط البخار الرئيسي بالماء، استخدام جيب تجمع سخي على الخط الرئيسي، بالإضافة إلى ساق تبريد بطول 2 إلى 3 م من أنبوب غير معزول إلى الصمام ضروري. ساق التبريد تخزن المكثفات أثناء تبريدها إلى درجة حرارة التصريف. إذا كان هناك أي خطر من تغمر خط البخار الرئيسي بالماء، لا يجب استخدام الصمامات العلاجية.

المنشأة المتحكم بها حراريًا مع صمامات بخار تُصرَف إلى خطوط مغمورة

العمليات التي تستخدم التحكم بالحرارة تُوفر مثالًا حيث يُخنفف ضغط البخار المُمَدَّد عبر صمام تحكم. تأثير هذا هو تقليل سعة صمام البخار إلى النقطة التي يتوقف فيها تدفق المكثفات تمامًا، ويُقال أن النظام قد ركد. يُناقَش موضوع الركود بمزيد من العمق في الكتلة 13. يحدث الركود نتيجة ضغط بخار غير كافٍ لتنقية منشأة البخار من المكثفات، وأكثر احتمالية عندما يكون للمنشأة تخفيض عالٍ من الحمل الكامل إلى الحمل الجزئي. ليس جميع الأنظمة المتحكم بها حراريًا ستركد، لكن الضغط الخلفي الناتج عن نظام المكثفات يمكن أن يكون له تأثير سلبي على أداء الصمام. هذا بدوره قد يُضعف قدرة نقل الحرارة للعملية (الشكل 14.2.9). يجب تكوين خطوط تصريف المكثفات بحيث لا يمكن للمكثفات طغيان الخط الرئيسي الذي تُصرَف إليه كما هو مصوَّر في الشكل 14.2.10.

خطوط التصريف بضغوط مختلفة

المكثفات من أكثر من عملية متحكَّم بها حراريًا يمكن أن تنضم إلى خط مشترك، طالما أن هذا الخط:

• مُصمَّم للميل في اتجاه التدفق نحو نقطة تجميع.
• مُحجَّم للتعامل مع التأثيرات التراكمية لأي بخار متسارع من كل خطوط الفروع عند الحمل الكامل. مفهوم توصيل تصريفات الصمامات بضغوط مختلفة يُساء فهمه أحيانًا. إذا كانت خطوط الفروع والخط المشترك مُحجَّمة بشكل صحيح، فإن الضغوط بعد كل صمام ستكون متماثلة تقريبًا. ومع ذلك، إذا كانت هذه الخطوط مُصغَّرة، سيُقيد تدفق المكثفات والبخار المتسارع، بسبب تراكم الضغط الخلفي الناتج عن زيادة مقاومة التدفق داخل الأنبوب. المكثفات المتدفقة من الصمامات التي تُصرف الأنظمة منخفضة الضغط ستكون أكثر تقييدًا. كل جزء من نظام أنابيب التصريف يجب أن يُحجَّم لحمل أي بخار متسارع موجود بسرعات بخار مقبولة. التصريف من صمام عالي الضغط لن يُعيق التصريف من صمام منخفض الضغط إذا كانت خطوط التصريف والخط المشترك مُحجَّمة ومُميلة بشكل صحيح في اتجاه التدفق. الوحدة 14.3، ‘تحجيم خطوط إرجاع المكثفات’ تُعطي تفاصيل إضافية.

خطوط الإرجاع المُضخوحة

يمكن فصل البخار المتسارع في بعض النقاط عن المكثفات واستخدامه في نظام استرداد، أو ببساطة تفريغه إلى الغلاف الجوي من مستقبل مناسب (الشكل 14.2.11). المكثفات الساخنة المتبقية من الأخير يمكن ضخها إلى خزان تجميع مناسب مثل خزان تغذية الغلاية. عندما تُغذَّى المضخة من مستقبل مُهواة، سيكون خط الإرجاع المُضخوح مغمورًا بالكامل بمكثفات بدرجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية، مما يعني أن البخار المتسارع أقل احتمالية للحدوث في الخط.

التدفق في خط الإرجاع المُضخوح متقطع، حيث تبدأ المضخة وتتوقف وفقًا لاحتياجاتها. معدل تصريف المضخة سيكون أعلى من المعدل الذي تدخل به المكثفات إلى المضخة. لذلك، هو معدل تصريف المضخة الذي يحدد حجم خط تصريف المضخة، وليس المعدل الذي تدخل به المكثفات إلى المضخة.

يُناقَش ضخ المكثفات بمزيد من التفصيل في الوحدة 14.4، ‘ضخ المكثفات من المستقبلات المُهواة’.