المبادلات الحرارية الكبيرة الحجم

تُشترى المبادلات الحرارية غالبًا بأكبر من الحجم المطلوب لمهمتها. ينظر هذا الدرس في الأسباب والتأثيرات الناتجة والمتطلبات ذات الصلة، مثل تحجيم الصمامات للمبادلات الكبيرة الحجم.

افترضت الحسابات السابقة (الوحدة 13.2) أن المبادل الحراري رُكِّب بمنطقة تسخين مثالية لتلبية المواصفات. هذا يعني أن المبادل الحراري كان مُحجَّم بدقة للمهمة.

هذا غير مرجح جدًا في الممارسة العملية حيث يُضيف المصمم أو محدد المواصفات عادة عوامل أخرى، بما في ذلك عوامل التلوث و عدم اليقين من الحمولات التشغيلية القصوى. من غير المرجح أيضًا أن يُوفِّر المُصنِّعون مبادلات حرارية تطابق المواصفات بدقة. نظرًا لأن المبادلات الحرارية الأصغر من اللازم غير عملية، فعادة تُشترى بأكبر من الحجم المطلوب.

أُعيد النظر في ظروف التشغيل المحددة في المثال 13.2.1، الجزء ‘ج’، في المثال 13.3.1 بإضافة 15% إلى منطقة التسخين المطلوبة لمراعاة الطوارئ.

حُسبت منطقة التسخين المطلوبة لتكون 1.09 م2 (المثال 13.2.1، الجزء ‘ج’) لذا فإن منطقة التسخين المحددة للمثال 13.3.1 هي 1.09 + 15% = 1.254 م2.

الحجم الأدنى الذي يمكن للمُصنِّع توفيره لديه منطقة تسخين 1.31 م2، مما يُمثل منطقة تسخين فعلية أكبر بحوالي 20% من المطلوب. منطقة تسخين أكبر تتطلب ضغط بخار أقل لنفس معدل نقل الحرارة، ولذلك سيكون ضغط البخار في مبادل حراري كبير الحجم أقل لنفس الحمل الحراري.

نظرًا لأن ضغط البخار أقل، تكون درجة حرارة البخار أقل، وسيكون LMTD (الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة) للمبادل الحراري أقل أيضًا.

لتحديد درجة حرارة البخار لحالة التصميم، يجب أولاً إيجاد LMTD الجديد (ΔTLM) لمنطقة التسخين الأكبر (انظر المثال 13.3.1).

المثال 13.3.1

يمكن إيجاد ΔTLM بإعادة ترتيب المعادلة 13.2.1 لإعطاء المعادلة 13.3.1 من المثال 13.2.2، عند الحمل الكامل: درجة حرارة المدخل الثانوي (T1) = 10 درجة مئوية

درجة حرارة المخرج الثانوي (T2) = 60 درجة مئوية

يمكن الآن تحديد درجة حرارة التصميم الجديدة للبخار باستخدام المعادلة 2.5.5: تتوافق هذه الحرارة مع ضغط بخار 1.95 بار ضغط معياري. عندما كان المبادل الحراري مُحجَّم بدقة في الوحدة 13.2، كان ضغط البخار 4 بار ضغط معياري. في هذا المثال، مع مبادل حراري أكبر بـ 20%، يكون ضغط البخار أقل بنسبة 51%.

الآن بعد أن تُنُبِّأ بضغط البخار عند ظروف الحمل الكامل، يمكن حساب تدفق البخار عند الحمل الكامل. باستخدام المعادلة 2.8.1 أوجد معدل تدفق البخار عند الحمل الحراري الكامل 314.25 كيلوواط. عند 1.95 بار ضغط معياري، تُشير جداول البخار إلى أن إنتالبيا التبخر هي 2164.6 كيلوجول/كجم. كان تدفق البخار 536.6 كجم/ساعة في المبادل الحراري المُحجَّم بدقة (المثال 13.2.1)، لذا يمكن ملاحظة انخفاض طفيف (2.5%) في معدل التدفق الكتلي. هذا بسبب أن البخار لديه إنتالبيا تبخر أكبر قليلًا في المبادل الحراري الأكبر بسبب ضغطه الأقل.

تحديد TDC للمبادل الحراري الأكبر الآن بعد أن حُددت درجة حرارة البخار للمبادل الحراري الكبير الحجم (باستخدام معادلة LMTD [المعادلة 2.5.5])، يمكن إيجاد TDC الخاص به، باستخدام المعادلة 13.2.2. عند الحد الأدنى للحمل الحراري: عندما كان المبادل الحراري مُحجَّم بدقة في المثال 13.2.1 كانت درجة حرارة البخار 115.2 درجة مئوية عند الحد الأدنى للحمل الحراري 188.5 كيلوواط.

لأن المبادل الحراري الكبير الحجم في هذا المثال أكبر بحوالي 20%، ستكون درجة حرارة البخار أقل أيضًا عند الحد الأدنى للحمل الحراري. يبقى الحد الأدنى للحمل الحراري كما هو في المثال 13.2.1 ويحدث عندما ترتفع درجة حرارة المدخل الثانوي إلى 30 درجة مئوية. من المعادلة 13.2.3: بمقارنة المبادلين الحراريين عند الحد الأدنى للحمل، انخفضت درجة حرارة البخار من 115.2 درجة مئوية في المبادل المُحجَّم بدقة إلى 103.8 درجة مئوية في المبادل الكبير الحجم.

من جداول البخار، تتوافق درجة حرارة البخار هذه مع ضغط بخار يبلغ حوالي 0.15 بار ضغط معياري، و hfg = 2247 كيلوجول/كجم. كان ضغط البخار في المبادل المُحجَّم بدقة (عند 115.2 درجة مئوية) 0.7 بار ضغط معياري.

باستخدام المعادلة 2.8.1، يمكن إيجاد تدفق البخار عند الحد الأدنى للحمل الحراري 188.5 كيلوواط. كان الحد الأدنى لتدفق البخار 306 كجم/ساعة في المبادل الحراري المُحجَّم بدقة (المثال 3.2.1)، لذا يمكن ملاحظة انخفاض طفيف في التدفق الكتلي في المبادل الكبير الحجم عند الحد الأدنى للحمل الحراري. هذا بسبب أن البخار لديه إنتالبيا تبخر أكبر قليلًا في المبادل الحراري الأكبر بسبب ضغطه الأقل.

ضغط البخار وصمام البخار وإزالة المكثفات الفعالة

بينما يُعطي البخار حرارته عبر سطح نقل الحرارة إلى السائل الثانوي، يتكثف في مساحة البخار. تمر المكثفات عبر مخرج المبادل الحراري، وعبر صمام بخار يحبس البخار في مساحة البخار مع السماح بتصريف المكثفات بحرية.

إذا لم يُصمَّم المبادل الحراري خصيصًا للعمل مع غمر المكثفات لمساحة البخار، فإن ضغط البخار يحتاج إلى اهتمام دقيق لضمان تصريف المبادل الحراري من المكثفات بشكل صحيح. أي تغمر لمساحة البخار سيُقلل من مساحة سطح التسخين الفعالة، وقد يُلبَّي متطلب نقل الحرارة فقط إذا كان المبادل كبيرًا بما فيه الكفاية (ربما بالصدفة).

تعتمد سعة صمام البخار على نوعه وحجم فتحة التفريغ والضغط التفاضلي عبره. يُوفر الضغط التفاضلي الطاقة لدفع المكثفات عبر الصمام، وهو الفرق بين ضغط البخار في المبادل الحراري والضغط الخلفي المُمارس على مخرج الصمام من نظام المكثفات.

إذا كان صمام البخار يُفرغ بالجاذبية عبر أنبوب مُحجَّم بشكل صحيح إلى مستقبل مكثفات مُهواة أو طرف مفتوح، يجب أن يكون الضغط الخلفي قريبًا جدًا من الضغط الجوي. تحت هذه الظروف، يمكن ببساطة قراءة الضغط التفاضلي على مخطط التحجيم كضغط المقياس في المبادل الحراري.

إذا كان هناك رفع بعد الصمام (ارتفاع في خط تصريف الصمام)، أو كان خط تصريف الصمام أقل من الحجم المطلوب، أو كان هذا الخط مضغوطًا لأي سبب آخر، فقد يكون الضغط الخلفي أحيانًا أكبر من الضغط في مساحة البخار. عندما يحدث هذا، ينعكس الضغط التفاضلي عبر الصمام ويُعتبر ‘ضغطًا تفاضليًا سلبيًا’. سعة الصمام الآن صفر.

كما يمكن ملاحظة في الحسابات أعلاه، يُحكَم ضغط البخار في أي مبادل حراري بحجمه والظروف الثانوية. نظرًا لأن سعة صمام البخار تعتمد على الضغط التفاضلي، فإن تغيرات ضغط البخار والضغط الخلفي تؤثر على سعة صمام البخار في جميع الأوقات. مع انخفاض الضغط التفاضلي، ستقل سعة صمام البخار. شريطة أن يكون الضغط التفاضلي إيجابيًا ويُختَار ويُحجَّم صمام البخار مع مراعاة ذلك، لن يحدث تغمر ومشاكله المرتبطة.

تحجيم صمام البخار للمبادل الحراري الكبير الحجم الظروف التي تحتاج إلى دراسة هي:

• الحمل الكامل: 523 كجم/ساعة عند 1.95 بار ضغط معياري في مساحة البخار
• الحد الأدنى للحمل: 302 كجم/ساعة عند 0.15 بار ضغط معياري في مساحة البخار
• الضغط الخلفي: الضغط الجوي (0 بار ضغط معياري) انظر إلى مخطط سعة الصمام العائم الشكل 13.3.2، صمام بخار عائم كروي DN25 (1 بوصة) FT14-4.5. يمكن ملاحظة أنه سيُمرر 850 كجم/ساعة عند ضغط تفاضلي 1.95 بار. يمكن أيضًا ملاحظة أنه عند ضغط تفاضلي 0.15 بار سيُمرر حوالي 370 كجم/ساعة. في هذا المثال، ضع في اعتبارك الصمام المُثبَّت على المبادل الحراري الكبير الحجم والمُصرَّف بالجاذبية إلى مستقبل مكثفات مُهواة، كما هو مصوَّر في الشكل 13.3.1.

لضمان التصريف الصحيح، يجب أن يكون صمام البخار قادرًا على التعامل مع جميع الحمولات بين ظروف الحمل الكامل والحد الأدنى للحمل.

بما أن الضغط الخلفي للمكثفات جوي في هذا المثال، فإن الحد الأدنى لضغط مساحة البخار 0.15 بار ضغط معياري أعلى دائمًا من الضغط الخلفي. يمكن ملاحظة من مخطط السعة (الشكل 13.3.2) أن الصمام لديه سعة كافية عند الحد الأدنى والأقصى للحمولات، لذا صمام البخار العائم الكروي DN25 (1 بوصة) FT14-4.5 كبير بما فيه الكفاية.

إذا كان الضغط الخلفي أعلى من الحد الأدنى لضغط البخار 0.15 بار ضغط معياري، فسيتوقف النظام عن العمل (stall) في مكان ما ضمن نطاق التشغيل العادي. (سيتطلب هذا فقط رفعًا يزيد قليلًا عن 1.5 متر بعد الصمام). وفقًا لذلك، يجب اختيار الصمام وتحجيمه بناءً على مقدار الضغط الخلفي. مع المبالغ الأكبر في الضغط الخلفي قد يكون ضروريًا تركيب مضخة-صمام.

يُقدَّم نصيحة حول كيفية اختيار الصمام الصحيح للمبادل الحراري في الوحدة 13.4.