الطرق العملية لمنع الركود

ينظر هذا الدرس في طرق التغلب على مشاكل تصريف المكثفات، مثل ضمان التصريف بالجاذبية، أو تركيب جهاز مضخة-صمام تلقائي، أو التحكم في الضغط في مساحة البخار.

الطرق العملية لمنع الركود

إذا كانت ظروف الركود حتمية، يمكن التغلب على المشاكل المحتملة بتصميم التركيب حول أحد ثلاثة حلول أساسية:

1. ضمان أن ضغط البخار في مساحة البخار لا ينخفض أبدًا تحت الضغط الجوي، وأن المكثفات يمكن أن تُصرَف بالجاذبية إلى ومن صمام بخار عائم كروي.
2. قبول أن الضغط في مساحة البخار قد يكون أقل من الضغط الخلفي، وتوفير وسيلة بديلة لإزالة المكثفات، بتركيب مضخة-صمام.
3. ضمان أن الضغط في مساحة البخار مستقر وأعلى من الضغط الخلفي. سيتطلب ذلك وجود نظام التحكم بالحرارة على الجانب الثانوي للنظام باتباع هذه الخيارات الثلاثة على التوالي:
4. تركيبات تضمن أن الظروف في مساحة البخار لا تنخفض أبدًا تحت الضغط الجوي، وأن المكثفات يمكن أن تُصرَف بالجاذبية إلى ومن صمام بخار: 1أ) طريقة إزالة المكثفات بكاسر الفراغ (انظر الشكل 13.8.1) لا يمكن أن يتعرض صمام البخار لأي ضغط خلفي أعلى من الجوي، ويجب أن يُفرغ المكثفات إما إلى طرف مفتوح (قد يكون مُهدِرًا)، أو إلى مستقبل مُهواة قريب ومضخة، مما يسمح باستعادة الطاقة الموجودة في المكثفات.

1ب) طريقة صمام التصريف المساعد (انظر الشكل 13.8.2) يُثبَّت مجموعة صمام عائم قياسي مع إعادة المكثفات إلى نظام مكثفات، إما مضغوط و/أو مرفوع فوق الصمام. يمكن تركيب صمام عائم مساعد يُفرغ المكثفات عبر طرف مفتوح إلى الصرف.

عندما يكون هناك ضغط بخار كافٍ للتغلب على الضغط الخلفي، سيعمل الصمام العائم الرئيسي، لكن عندما يحدث الركود، ستتراج المكثفات وتُصرَف عبر الصمام العائم المساعد مما يمنع تغمر المكثفات للمبادل الحراري.

نظرًا لأن هذه المكثفات ستُصرَف إلى الهدر، يجب استخدام هذه الطريقة فقط إذا كان الركود يحدث بشكل غير متكرر. يجب تحجيم الصمام المساعد على الرأس الساكون لتمرير حمل الركود كما في الطريقة 1أ، ويجب أن يكون ‘الصمام الرئيسي’ بنفس الحجم، لكن مُثبَّت على الأقل 150 مم تحت فرع السحب المساعد.

بخلاف العيب الواضح لفقدان الطاقة، تتطلب هذه الطريقة أيضًا رأس متاح بين مداخل الصمام ومخرج المبادل الحراري. 2. تركيبات تسمح لضغط البخار في مساحة البخار بالانخفاض تحت الضغط الخلفي، لكن حيث يمكن تصريف المكثفات بالجاذبية إلى ترتيب مضخة-صمام: ****2أ) مضخة وصمام عائم مُثبَّتَان معًا (انظر الشكل 13.8.3) تستخدم هذه الطريقة مضخة وصمام عائم مُثبَّتَين معًا. هي أكثر ملاءمة للمبادلات الحرارية بسعات تسخين اسمية تتجاوز 1.5 ميجاواط (حوالي 2500 كجم/ساعة من البخار).

يتغير ضغط البخار بالنسبة لتغيرات الحمل الحراري. عند الحمولات العالية سيكون ضغط البخار أعلى من الضغط الخلفي، لكن عند الحمولات المنخفضة سيكون أقل.

المضخة من نوع ضغط ميكانيكي، حيث تأخذ إمداد بخار مساعد تلقائيًا لتوفير القوة الدافعة لتصريف المكثفات عند حدوث الركود. إذا كان ضغط مساحة البخار أعلى من الضغط الخلفي، تمر المكثفات عبر جسم المضخة إلى الصمام العائم الذي يسمح بتصريف المكثفات.

هذه الطريقة أكثر عملية واقتصادية على التركيبات الأكبر؛ على سبيل المثال، تلك التي تستخدم خطوط تصريف مكثفات بقطر 40 مم أو أكثر. 2ب) مضخة-صمام مع مبادل حراري بتدفق ثابت (انظر الشكل 13.8.4) لا يتغير معدل التدفق الثانوي أثناء مروره عبر المبادل الحراري، وبالتالي يتغير ضغط البخار بالنسبة لتغيرات درجة حرارة المدخل الثانوي. عند الحمولات العالية سيكون ضغط البخار أعلى من الضغط الخلفي، لكن عند الحمولات المنخفضة سيكون أقل.

تستخدم هذه الطريقة جهاز مضخة-صمام يُقدم وظائف مضخة وصمام بخار وصمامات رجوع في جسم واحد.

مضخة-صمام Spirax Sarco APT14 التلقائية مصممة لتشغل الحد الأدنى من المساحة، ويمكن تركيبها على المبادلات الحرارية بقدرة تسخين اسمية تصل إلى 1.5 ميجاواط.

هي الأنسب للتركيبات ذات خطوط تصريف المكثفات حتى 25 مم، لكن يمكن استخدامها على خطوط تصريف حتى 40 مم في بعض الظروف.

يُوضَّح تركيب نموذجي في الشكل 13.8.4. 2ج) جهاز مضخة-صمام مع مبادل حراري بتدفق متغير (انظر الشكل 13.8.5) هذه الطريقة مشابهة لـ 2ب)، لكن التدفق الثانوي عبر المبادل الحراري يتغير مع الحمل الحراري، بسبب عمل صمام الخلط الثانوي.

يُقدِّم المبادل الحراري تدفق ماء بدرجة حرارة ثابتة يُخلَط بواسطة صمام الخلط الثانوي وفقًا للحمل. مع تغير التدفق الثانوي، يتغير ضغط البخار للحفاظ على درجة حرارة مخرج ثابتة، بحيث يكون عند الحمولات العالية أعلى من الضغط الخلفي، وعند الحمولات المنخفضة أقل. 3. تركيبات تضمن الحفاظ على ضغط البخار ثابتًا وعدم انخفاضه أبدًا تحت الضغط الخلفي، وأن المكثفات يمكن تصريفها إلى ومن صمام بخار: 3أ) صمام بخار مع صمام تحكم بالحرارة في الدائرة الثانوية (انظر الشكل 13.8.6) تتطلب هذه الطريقة إجراء التحكم بالحرارة بصمام خلط أو تحويل ثلاثي المنافذ في الدائرة الثانوية. يُحتفظ بإمداد البخار للمبادل الحراري عند ضغط ثابت (عادة أقل من 1 بار ضغط معياري) بصمام تحكم بالضغط، وبذلك يمكن دائمًا تنقية المكثفات من المبادل الحراري ضد ضغط خلفي أقل.

هذه الطريقة ليست دائمًا عملية أو ممكنة. هي غير مناسبة لبطاريات مسخنات البخار/الهواء أو الأنظمة السائلة حيث يكون النظام الثانوي بضغط منخفض جدًا بحيث لا يستطيع منع السائل من الغلي.

مثل جميع الطرق، لديها مزايا وعيوب يجب تقييمها قبل اختيار خيار.

لا يجب استخدام التحكم التشغيل/إيقاف مع المبادلات الحرارية صمام التحكم بالحرارة من نوع التشغيل/الإيقاف لا يعتمد على الحمل الحراري، لكنه إما مفتوح بالكامل أو مغلق بالكامل. مثال على ذلك الصمام المغناطيسي. عندما يكون مفتوحًا، يُحتفظ بضغط البخار الكامل في المبادل الحراري لتنقية المكثفات ضد الضغط الخلفي. من النظرة الأولى، يبدو أن طريقة التحكم هذه تتغلب على أي مشاكل الضغط الخلفي، لكنها غير مُوصى بها على عمليات مثل المبادلات الحرارية، حيث يجب تسخين السائل الثانوي إلى درجة حرارته المطلوبة أثناء مروره عبرها. هناك ثلاثة أسباب رئيسية لذلك:

• نظام تحكم ‘تشغيل/إيقاف’ يُنشَّط بواسطة مُنظِّم حراري يعتمد على ارتفاع حرارة مفرط في المنتج لتحقيق التحكم. بما أن البخار لديه محتوى حراري عالٍ، يمكن أن تحتفظ كمية كبيرة من الحرارة في مساحة البخار بعد إغلاق الصمام المغناطيسي. التأثير الإجمالي هو درجة حرارة أعلى للمنتج من المطلوب. إذا خُفِّضت إعدادات المُنظِّم الحراري لمواجهة هذا التأثير، فقد تكون درجة حرارة ‘التشغيل’ أقل مما قد تتطلبه معاملات النظام. يمكن أن يؤدي إلى ضعف التحكم في درجة حرارة النظام وإمكانية إتلاف المنتج.
• التغيرات المستمرة والسرعة في الضغط ودرجة الحرارة ستُفرض إجهادًا حراريًا وميكانيكيًا على المبادل الحراري سيُقلل على الأرجح من عمره الافتراضي.
• من غير الجيد أبدًا تعريض أنظمة البخار لزيادة فورية في الضغط. أي مكثفات موجودة في مساحة البخار وخط المكثفات تُدفع فورًا، بالتدفق المفاجئ للبخار، عبر النظام نحو صمام البخار. يمكن أن يُسبب هذا مطرقة مائية، ويُتلف المبادل الحراري وصمام البخار. التحكم التشغيل/الإيقاف مناسب عادة فقط لعمليات نقل الحرارة ‘غير المتدفقة’ أو ‘الدفعية’، ولا سيما الخزانات ذات اللفائف القوية، أو الأوعية ذات الغلاف، حيث يُطبَّق ضغط البخار المطلوب خلال فترة تسخين طويلة (عادة عدة دقائق أو حتى ساعات). ارتفاع درجة حرارة المنتج أبطأ بكثير من ذلك المُعَايَن في الأنظمة المتدفقة المطلوب منها تسخين المنتج في الوقت القصير الذي يستغرقه المرور عبر مبادل حراري. الخلاصة النوع الأكثر ملاءمة من صمامات البخار لمعدات نقل الحرارة بشكل عام، وخاصة إذا كان الركود مرجحًا، هو صمام بخار عائم كروي مع منفذ تفريغ هواء مُوازَن الضغط مُدمج.

إذا كان هناك احتمال للركود، فإن مضخة-صمام هي عمومًا الطريقة الأكثر فعالة للتعامل معه، لأنها تستفيد من كونها:

• بسيطة.
• فعالة من حيث التكلفة.
• مدمجة. ملاحظة: الرسوم التوضيحية في هذه الوحدة مخططية فقط، وببساطة لا تحتوي على جميع المعدات المساعدة التي ستكون ضرورية أو مُوصى بها لتركيب معين. الاستثناء هو الشكل 13.8.8 الذي يُظهر تركيبًا تفصيليًا فعليًا لمضخة-صمام APT14 التلقائية.