تحديد حجم صمام التحكم لأنظمة البخار

قد يكون تحديد حجم صمام التكم لتطبيق بخاري أمرًا معقدًا. تحاول هذه الوحدة إلقاء الضوء على الموضوع باستخدام المبادئ الأولى لشرح العلاقة بين التدفق وانخفاض الضغط. تستخدم فوهة بسيطة لشرح ظاهرة الضغط الحرج، وكيف يمكن التنبؤ بها لتدفق البخار عبر صمام التكم. تستمر بمناقشة خصائص أخرى مثل الضوضاء والتآكل، وكيف يُجفَّف البخار أو يُسخَّن زائدًا عند مروره عبر صمام، وتعطي أمثلة مختلفة لهذه الحسابات. تقارن أيضًا بإيجاز بين مبادلات حرارية الأنبوب والغلاف والألواح، وتُظهر كيفية استخدام مخططات Kv البسيطة لتحديد حجم صمامات البخار.

قبل مناقشة تحديد حجم صمامات التكم لأنظمة البخار، من المفيد مراجعة خصائص البخار في تطبيق نقل الحرارة.

• يُمدَّد البخار بضغط محدد إلى الجانب الصاعد من صمام التكم عبره يمر إلى مبادل حراري يعمل أيضًا بضغط محدد.
• يمر البخار عبر صمام التكم إلى فراغ البخار في المعدات حيث يلامس أسطح نقل الحرارة.
• يتكثف البخار على أسطح نقل الحرارة، مُنشئًا مكثفًا.
• حجم المكثف أقل بكثير من البخار. هذا يعني أنه عند تكثف البخار، ينخفض الضغط في فراغ البخار.
• الضغط المنخفض في فراغ البخار يعني وجود فرق ضغط عبر صمام التكم، وسيتدفق البخار من المنطقة عالية الضغط (قبل صمام التكم) إلى المنطقة المنخفضة الضغط (فراغ البخار في المعدات) بنسبة معينة من فرق الضغط، ومثاليًا، موازنة معدل تكثف البخار.
• يُحكَم معدل تدفق البخار into المعدات بفرق الضغط هذا وحجم فوهة الصمام. إذا كان في أي وقت معدل تدفق البخار عبر الصمام أقل من معدل التكثف (ربما الصمام صغير جدًا)، فسينخفض ضغط البخار ومعدل نقل الحرارة في المبادل الحراري عما هو مطلوب.
• إذا استُخدم نظام تحكم تعديل، فمع اقتراب درجة حرارة العملية من نقطة تعيين المُنشِّئ، سيُغلق الصمام بمقدار متناسب، مما يُقلل من معدل تدفق البخار للحفاظ على الضغط المنخفض المطلوب.
• إغلاق الصمام يُقلل من كتلة التدفق. ينخفض ضغط البخار في فراغ البخار وكذلك درجة حرارة البخار. هذا يعني وجود فرق أقل في درجة الحرارة بين البخار والعملية.

تدفق البخار المشبع عبر صمام التكم سيصمم مصنّع المبادل الحراري المعدات لإعطاء إنتاج حراري معين. لتحقيق هذا الإنتاج الحراري، ستُحتاج درجة حرارة بخار مشبع محددة عند سطح نقل الحرارة.

ضع في اعتبارك تطبيقًا حيث يُمدَّد بخار بضغط 10 بار g إلى صمام التكم، وكمية معينة من تدفق كتلة البخار تمر عبر الصمام إلى مبادل حراري. يُحفظ الصمام مفتوحًا تمامًا (انظر الشكل 6.4.1).

• إذا رُكِّب صمام DN50 والصمام مفتوح بالكامل، يكون انخفاض الضغط عبر الصمام صغيرًا نسبيًا، والبخار المُمدَّد إلى المبادل الحراري بضغط مرتفع نسبيًا (ودرجة حرارة). لهذا، لفائف التدفئة المطلوبة للوصول إلى الحمل التصميمي صغيرة نسبيًا.
• ضع الآن في اعتبارك صمام DN40 مفتوحًا تمامًا في خط إمداد البخار يمر بنفس معدل تدفق صمام DN50. بما أن فوهة الصمام أصغر، يجب أن يكون انخفاض الضغط عبر الصمام أكبر، مما يؤدي إلى ضغط (ودرجة حرارة) أقل في المبادل الحراري.
• تقليل حجم الصمام أكثر سيتطلب انخفاض ضغط أكبر عبر صمام التكم لنفس كتلة التدفق، وحاجة إلى مساحة سطح نقل حرارة متزايدة للحفاظ على نفس الإنتاج الحراري.

الضغط الحرج سيزداد تدفق كتلة البخار عبر الصمام مع فرق الضغط حتى تتحقق حالة تُسمى “الضغط الحرج”. يمكن شرح المبدأ بالنظر إلى كيفية عمل الفوهات.

ضع في اعتبارك فوهة شبه مثالية، مثل فوهة متقاربة-متباينة موضحة في الشكل 6.4.2.

في القسم المتقارب، تزداد سرعة البخار مع انخفاض الضغط. عند نقطة معينة، تبدأ الحجم النوعي في الزيادة بشكل أسرع من السرعة ويجب أن تصبح مساحة التدفق أكبر. عند هذه النقطة، ستكون سرعة البخار صوتية ومساحة التدفق عند الحد الأدنى. يُوصَف ضغط البخار عند هذا الحد الأدنى لمساحة التدفق أو “الحلق” بـ “الضغط الحرج”.

الضغط الحرج يختلف قليلًا حسب خصائص السائل. مع البخار المسخن زائدًا النسبة حوالي 0.55، وللهواء حوالي 0.53.

بمجرد الوصول إلى انخفاض الضغط الحرج عند حلق الفوهة، لا يمكن لانخفاض الضغط المنبع إضافة زيادة في تدفق الكتلة عبر الجهاز.

إذا كان انخفاض الضغط عبر الفوهة بأكملها أكبر من انخفاض الضغط الحرج، فسيحدث الضغط الحرج دائمًا عند الحلق. ستمتد البخار بعد مرور الحلق بحيث، إذا كان حجم المخرج مُحدَّد بشكل صحيح، يتحقق الضغط المطلوب عند مخرج الفوهة.

شكل الفوهة (الشكل 6.4.3) مُصمَّم بلطف بحيث يحدث vena contracta عند حلق الفوهة. يمكن مقارنة صمامات التكم بفوهات متقاربة-متباينة، في أن لكل منها منطقة ضغط عالٍ (مدخل الصمام)، ومنطقة متقاربة (المدخل بين سدادة الصمام ومقعده)، وحلق (أضيق فجوة)، ومنطقة متباينة (المخرج)، ومنطقة ضغط منخفض (جسم الصمام المنبع). انظر الشكل 6.4.4.

سرعة مخرج الصمام والضوضاء والتآكل وتأثير التجفيف والتسخين الزائد الضوضاء قد تكون اعتبارًا مهمًا عند تحديد حجم صمامات التكم. يُعتبَر عمومًا أن صمام التكم سيُنتج ضوضاء غير مقبولة إذا كانت سرعة البخار المشبع الجاف في مخرج صمام التكم أكبر من 0.3 ماخ.

مثال 6.4.1 سرعة مخرج الصمام وتأثير التجفيف/التسخين الزائد صمام تحكم يُمدَّد ببخار مشبع جاف من فاصل بضغط 12 بار g ويُستخدم لخفض ضغط البخار إلى 4 بار g عند الحمولة الكاملة. معدل تدفق الحمولة الكاملة 1300 كجم/ساعة يتطلب Kvr قدره 8.3.

يُمكن حساب درجة التجفيف والتسخين الزائد من الإجراء التالي: من جداول البخار، الحرارة الكلية (hg) في البخار المشبع الجاف الصاعد عند 12 بار g = 2787 كيلوجول/كجم. سرعة الصوت (ماخ 1) يمكن حسابها من المعادلة 6.4.2.

التآكل مشكلة أخرى هي احتمال التآكل في جسم الصمام بسبب السرعة المفرطة في مخرج الصمام.

معادلات تحديد حجم صمامات التكم صمامات التكم ليست فعالة كالفوهات في تحويل الحرارة إلى طاقة حركية. هناك معيار واحد وهو IEC 60534.

ومع ذلك، معادلة تحديد حجم بخار بسيطة، مثل المعروضة في المعادلة 3.21.2 للبخار المشبع، كافية تمامًا لغالبية تطبيقات البخار مع صمامات الكرة. ملاحظة: إذا استُخدمت المعادلة 3.21.2 عندما يكون P2 أقل من الضغط الحرج، فسيصبح المصطلح داخل القوسين سالبًا.

مصطلحات Kvr = القيمة الفعلية المطلوبة للتطبيق Kvs = سعة الرفع الكامل المُعلَّنة لصمام معين

تجميع المعلومات لتحديد حجم صمام البخار تُحتاج معلومات معينة كحد أدنى لتحديد الحجم الصحيح للصمام:

• يجب معرفة ضغط إمداد البخار.
• يجب معرفة ضغط البخار في المبادل الحراري لتلبية الحمولة الحرارية القصوى.
• يجب معرفة الإنتاج الحراري للمعدات.

مثال 6.4.2 يُحتاج صمام تحكم للتطبيق الموضح في الشكل 6.4.7. تحديد معدل تدفق البخار تحديد نسبة انخفاض الضغط (χ) عند الحمولة الكاملة

لذلك سيكون صمام التحكم DN25 غير مناسب لهذا التطبيق حيث يمر البخار الرطب عبر مخرج الصمام.

حل واحد لهذه المشكلة هو تركيب صمام بجسم أكبر بنفس Kvs 10 لتقليل سرعة مخرج البخار الرطب.

حل أفضل قد يكون تركيب فاصل قبل صمام التكم.

التحديد على انخفاض ضغط اعتباطي إذا كان ضغط عمل المعدات غير معروف، أحيانًا يمكن التنازل.

في هذه الظروف، يُقترح اختيار صمام التكم باستخدام انخفاض ضغط 10% إلى 20% من ضغط المدخل.

هل كلما زاد انخفاض الضغط كان أفضل؟ عادةً يكون أفضل لتحديد حجم صمام بخاري بانخفاض ضغط حرج عبر صمام التكم عند الحمولة القصوى.

ومع ذلك، قد لا تسمح ظروف التطبيق بهذا.

أنواع مبادلات حرارية التدفئة بالبخار

مبادل حرارية الأنبوب والغلاف مبادلات حرارية الأنبوب والغلاف استُخدمت تقليديًا للكثير من تطبيقات التدفئة والمعالجة بالبخار.

مبادل حرارية الألواح (والإطار) مبادلات حرارية الألواح بديل مفيد؛ صغيرة وخفيفة نسبيًا، لديها كتلة صغيرة وتستجيب بسرعة للتغيرات في الحمل الحراري. أمثلة تحديد حجم البخار باستخدام المخططات

البخار المشبع

مثال 6.4.3 - تطبيق انخفاض ضغط حرج الطلب على البخار من المبادل الحراري = 800 كجم/ساعة

مثال 6.4.4 - تطبيق غير حرج لانخفاض الضغط الطلب على البخار من المبادل الحراري = 200 كجم/ساعة

مثال 6.4.5 - إيجاد انخفاض الضغط (ΔP) عبر الصمام بقيمة Kvs معروفة الطلب على البخار من المبادل الحراري = 3000 كجم/ساعة

اختيار صمام تحكم لخدمة البخار يتطلب اختيار صمام التكم مراعاة عدة عوامل أخرى.

قائمة العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند اختيار صمام تحكم لخدمة البخار:

1. تدفق الكتلة أو الحجمي المراد النظر فيه.
2. وسيط التدفق.
3. ضغط المدخل المتاح.
4. ضغط المخرج.
5. قيمة Kv المطلوبة.
6. انخفاض الضغط عبر الصمام.
7. حجم جسم الصمام.
8. مادة الجسم وتصنيف الضغط الاسمي.
9. أقصى فرق ضغط للإغلاق.
10. التوصيل المطلوب.
11. أقصى درجة حرارة للوسيط.
12. أي متطلبات خاصة.
13. تفاصيل متطلبات تحكم التطبيق.
14. طريقة التنشيط ونوع التحكم.
15. مستويات الضوضاء.
16. انخفاضات الضغط وأحجام جسم الصمام ومستوى الضوضاء مرتبطة.
17. التسريب والعزل.
18. نسبة التحويل.
19. نطاق التشغيل.
20. التكلفة.

ملحق 1 مخطط تحديد حجم صمام البخار المشبع ملحق 2 مخطط تحديد حجم صمام البخار المُسخَّن زائدًا