مثال على اختيار الصمام

مثال مفصّل لحساب الركود واختيار حل إزالة المكثفات لتطبيق مبادلة حرارية.

مثال 13.4.1 اختيار الصمام تتطلب مصنع مبادل حراري بخار/ماء يعمل عند ضغط مقداره 4 بار ضغط مطلق لتسخين ماء العملية المتدفق بسرعة 1 لتر/ثانية (1 كجم/ثانية) من 10 درجات مئوية إلى 80 درجة مئوية، مما يوفر حملاً تصميميًا قدره 293 كيلوواط. العملية بحيث يحدث حد أدنى للحمل الحراري عند 60% من الحمل الحراري الكامل. هذا خط عملية يعمل بشكل دائم دون زيادة حمل مستقبلية. يُطلب من موردين تقديم مبادل حراري. المعلومات التالية مهمة للاختيار:

• المورد ‘X’ يمكنه تقديم مبادل حراري بمنطقة تسخين 2 م2، وقيمة ‘U’ مقدارها 2500 واط/م2 درجة مئوية وقدرة 350 كيلوواط عند التشغيل ببخار عند 4 بار ضغط مطلق وتدفق ماء 1 لتر/ثانية.
• المورد ‘Y’ يمكنه تقديم مبادل حراري بمنطقة تسخين أصغر أكثر ملاءمة للحمل التصميمي البالغ 293 كيلوواط، عند التشغيل ببخار عند 4 بار ضغط مطلق وتدفق ماء 1 لتر/ثانية. قيمة ‘U’ هي 2500 واط/م2 درجة مئوية.
• خط مكثفات المبادل الحراري سيرتفع 5 أمتار إلى خط إرجاع مكثفات ينخفض في طريقه إلى مستقبل مُهواة، بضغط خلفي إجمالي قدره 0.5 بار ضغط مطلق. ملاحظة: عمود ماء بارتفاع متر واحد تحت الضغط الجوي يُمارس ضغطًا عند قاع العمود يبلغ حوالي 10 كيلوباسكال أو 0.1 بار ضغط مطلق. أي ارتفاع في خط تصريف المكثفات سيُمارس ارتفاعًا ثابتًا بسبب عمود المكثفات المحتفظ به في الخط، بالإضافة إلى أي ضغط في نظام المكثفات. من الضروري تحديد ظروف تشغيل النظام لاختيار وتحجيم الصمام للإزالة السليمة للمكثفات من كلا المبادلين الحراريين تحت أي ظرف حمل تشغيلي.

يجب الإجابة على الأسئلة التالية للإزالة السليمة للمكثفات:

(أ) هل سيحدث ركود أثناء التشغيل الطبيعي؟

(ب) عند أي حمل سيحدث الركود؟

تحقق من الحمل الحراري للتطبيق عند حالة التصميم.

من معادلة تدفق نقل الحرارة (المعادلة 2.6.5): ضع في اعتبارك المورد ‘X’ مبادل حراري بقدرة 350 كيلوواط ومنطقة تسخين 2 م2. ما هو ضغط مساحة البخار في هذا المسخن عند هذا الحمل التصميمي؟ من الضروري أولاً تحديد LMTD (ΔTLM) لمنطقة تسخين 2 م2.

من المعادلة 13.2.1: يمكن الآن حساب درجة حرارة تصميم البخار، باستخدام المعادلة 2.5.5: درجة حرارة التشبع هذه تعادل ضغط بخار يبلغ 0.45 بار ضغط مطلق. هذا الضغط أقل من الضغط الخلفي البالغ 0.5 بار ضغط مطلق، وسيركدو النظام بشكل دائم.

في هذه الحالة، إذا تم تركيب صمام بخار عائم كروي، فإن المكثفات ستطغى بشكل دائم على المبادل الحراري، ويتذبذب مستواها بالنسبة لتغيرات الحمل. أداء التشغيل قد يكون غير مُرضٍ حيث إن درجة حرارة المنفذ الثانوية ستتذبذب، وقد يفشل المبادل الحراري مبكرًا بسبب التآكل.

إذا كان النظام يعمل بشكل دائم في ظروف الركود، فإن الصمام البخاري العائم الكروي هو الخيار الخاطئ لهذا التطبيق، ويجب تركيب مضخة-صمام بدلاً من ذلك. ضع في اعتبارك المورد ‘Y’ لكي يُحجم المُصنِّع منطقة التسخين الأنسب لحالة التصميم، من الضروري إيجاد أدنى منطقة تسخين تلبي الحمل التشغيلي الكامل. من الضروري أولاً تحديد LMTD المُصنَّف للمبادل الحراري بضغط مساحة بخار 4 بار ضغط مطلق (TS = 152 درجة مئوية).

من المعادلة 2.5.5: من مجموعته المعيارية، يمكن للمورد ‘Y’ تقديم مبادل حراري صفيفي يلبي المواصفات بمنطقة تسخين 1.198 م2. هذا مُكبَّر (بنحو 5%) وبالتالي سيكون ضغط البخار أقل من 4 بار ضغط مطلق عند حالة التشغيل بالحمل الكامل.

في الواقع، من المرجح أن تُحدد المبال الحرارية بفائض قدرة لا يقل عن 10%. لهذا السبب يجب دائمًا تحديد ضغط التشغيل للبخار (وليس ضغط العمل العادي المُصرَّح) قبل اختيار وتحجيم جهاز صمام البخار. يجب أن يكون المُصنِّع ذو السمعة الجيدة مستعدًا لتوفير هذه المعلومات، أو على الأقل منطقة التسخين، وقيمة ‘U’، والإنتاج الحراري. من هذه البيانات، يمكن حساب LMTD المُصنَّف، ومنه يمكن إيجاد ضغط التشغيل.

إيجاد LMTD للمبادل الحراري بمنطقة تسخين 1.198 م2: درجة حرارة التشبع هذه تعادل ضغط بخار يبلغ 3.4 بار ضغط مطلق عند حالة التصميم. بما أن هذا الضغط أكبر من الضغط الخلفي الثابت البالغ 0.5 بار ضغط مطلق، فلن يركد النظام عند الحمل الكامل.

ما هو تدفق البخار (ṁs) عند الحمل الكامل؟

يعتمد تدفق كتلة البخار على ضغط مساحة البخار، وهو 3.4 بار ضغط مطلق عند الحمل الكامل، بحرارة تبخر 2122 كيلوجول/كجم.

من المعادلة 2.8.1: ما هو TDC؟ من الضروري الآن إيجاد الحمل الحراري الذي سيركدو فيه النظام. للقيام بذلك، من الضروري حساب TDC لهذا المبادل الحراري من ظروف التصميم.

من المعادلة 13.2.2: حالة الركود عند الركود، يكون الضغط في مساحة البخار مساويًا للضغط الخلفي البالغ 0.5 بار ضغط مطلق.

درجة حرارة تشبع البخار عند 0.5 بار ضغط مطلق هي 111.6 درجة مئوية.

من المعادلة 13.2.4 يمكن إيجاد درجة حرارة الدخول: ما هو الحمل الحراري عند الركود؟ من معادلة تدفق نقل الحرارة (المعادلة 2.6.5): يعتمد اختيار جهاز التصريف على ما إذا كان الحد الأدنى للحمل أعلى أو أقل من حمل الركود.

الحد الأدنى للحمل مُصرَّح بأنه 60% من الحمل الكامل البالغ 293 كيلوواط، لذلك:

الحد الأدنى للحمل = 0.6 x 293 كيلوواط = 176 كيلوواط

حمل الركود = 138 كيلوواط

بما أن الحد الأدنى للحمل أكبر من حمل الركود، فلن يركد النظام أبدًا. لذلك من العملي تركيب صمام بخار عائم كروي، حيث سيكون هناك دائمًا فرق ضغط إيجابي عبره.

ومع ذلك، يجب تحجيم الصمام البخاري العائم الكروي لتحمل كلاً من الحمل الكامل والحد الأدنى للحمل، ومن الضروري حساب تدفقات البخار وضغوط مساحة البخار المقابلة في كلتا الحالتين.

من الضروري أولاً حساب درجة حرارة الدخول الثانوية عند الحد الأدنى للحمل. يمكن التنبؤ بذلك باستخدام المعادلة 13.4.1: حالة الحد الأدنى للحمل

من المعادلة 13.2.3:

هذه هي درجة حرارة البخار عند الحد الأدنى للحمل البالغ 176 كيلوواط، وتعادل ضغط بخار يبلغ 1.0 بار ضغط مطلق. ضغط المكثفات هو 0.5 بار ضغط مطلق. فرق الضغط عبر الصمام البخاري العائم الكروي عند الحد الأدنى للحمل يساوي 1.0 بار ضغط مطلق - 0.5 بار ضغط مطلق = 0.5 بار.

ما هو تدفق البخار (ṁ (min)) عند الحد الأدنى للحمل الحراري البالغ 176 كيلوواط؟

يعتمد الحد الأدنى لتدفق البخار على ضغط مساحة البخار، وهو 1.0 بار ضغط مطلق بحرارة تبخر 2201.1 كيلوجول/كجم.

من المعادلة 2.8.1: بما أنه تم التأكد من أن هذا النظام لن يركد، فإن الصمام البخاري العائم الكروي مناسب. من الضروري الآن تحجيم صمام بخار عائم كروي للتشغيل حتى أقصى فرق ضغط في النظام يبلغ 3.5 بار وتمرير …

أ) الحمل الكامل البالغ 498 كجم/ساعة بفرق ضغط 3.4 بار ضغط مطلق - 0.5 بار ضغط مطلق = 2.9 بار ضغط مطلق.

ب) الحد الأدنى للحمل البالغ 288 كجم/ساعة بفرق ضغط 1.0 بار ضغط مطلق - 0.5 بار ضغط مطلق = 0.5 بار ضغط مطلق.

من جدول تحجيم الصمام البخاري العائم الكروي (الشكل 13.4.1) يمكن ملاحظة أن DN25 (1 بوصة) FT14-4.5 سيلبي كلاً من هذين الشرطين، ويمكن اختياره. ومع ذلك، إذا كان الحد الأدنى للحمل الحراري أقل من حمل الركود، فيجب اختيار مضخة-صمام.

تُناقَش طرق اختيار أجهزة التصريف بشكل أعمق في الوحدة 13.8، ‘الطرق العملية لمنع الركود’.