السوائل والتدفق

قد يرغب المستخدمون في قياس تدفق البخار للمساعدة في كفاءة المنشآت أو كفاءة الطاقة أو التحكم في العمليات أو أغراض التسعير. يغطي هذا الدرس خصائص السوائل المتدفقة والمتطلبات الأساسية لممارسة جيدة لقياس البخار.

‘عندما تستطيع قياس ما تتحدث عنه وتعبيره بأرقام، فأنت تعرف شيئاً عنه؛ ولكن عندما لا تستطيع قياسه، وعندما لا تستطيع التعبير عنه بأرقام، فإن معرفتك تكون ضئيلة وغير مُرضية’. وليام تومسون (لورد كلفن) 1824 - 1907

مقدمة

أدرك العديد من الشركات التجارية والصناعية الآن قيمة:

• محاسبة تكاليف الطاقة.
• الحفاظ على الطاقة.
• تقنيات المراقبة والتحديد المستهدف. تمكن هذه الأدوات من تحقيق كفاءة أعلى في الطاقة. البخار ليس أسهل وسائط للقياس. الهدف من هذه الوحدة هو تحقيق فهم أكبر للمتطلبات لتمكين القياس الدقيق والموثوق لمعدل تدفق البخار. معظم أجهزة قياس التدفق المتاحة حالياً لقياس تدفق البخار صُمِّمت لقياس تدفق مختلف السوائل والغازات. وقِلَّة جداً ممن طُوِّرت خصيصاً لقياس تدفق البخار. تتقدم Spirax Sarco بالشكر إلى EEBPP (برنامج أفضل الممارسات لكفاءة الطاقة) التابع لـ ETSU لمساهمته في بعض أجزاء هذه الوحدة.

لماذا نقيس البخار؟

لا يمكن تقييم أجهزة قياس تدفق البخار بنفس الطريقة التي تُقيَّم بها معدات توفير الطاقة أو مخططات توفير الطاقة الأخرى. يُعد مقياس تدفق البخار أداة أساسية لإدارة البخار الفعّالة. يوفر معرفة باستهلاك البخار وتكلفته وهي حيوية لمنشأة أو مبنى يُشغَّل بكفاءة. تشمل الفوائد الرئيسية لاستخدام قياس تدفق البخار:

• كفاءة المنشآت.
• كفاءة الطاقة.
• التحكم في العمليات.
• التسعير والنقل. كفاءة المنشآت ****سيشير مقياس تدفق البخار الجيد إلى معدل تدفق البخار إلى عنصر المنشأة عبر كامل نطاق تشغيله، أي من إيقاف تشغيل الماكينات إلى تحميل المنشأة بالكامل. عن طريق تحليل العلاقة بين تدفق البخار والإنتاج، يمكن تحديد أفضل ممارسات التشغيل. سيُظهر المقياس أيضاً تدهور المنشأة بمرور الوقت، مما يتيح إجراء التنظيف أو الاستبدال الأمثل للمنشأة. يمكن أيضاً استخدام المقياس لـ:

قد يؤدي ذلك إلى تغييرات في أساليب الإنتاج لضمان استخدام اقتصادي للبخار. كما يمكن أن يقلل من المشكلات المرتبطة بأحمال الذروة على مصنع الغلاية. كفاءة الطاقة يمكن استخدام أجهزة قياس تدفق البخار لمراقبة نتائج مخططات توفير الطاقة ومقارنة كفاءة منشأة بأخرى. التحكم في العمليات يمكن استخدام إشارة الخرج من نظام قياس تدفق البخار المناسب للتحكم في كمية البخار المُغذَّى إلى عملية ما، والإشارة إلى أنه عند درجة الحرارة والضغط الصحيحين. كذلك، عن طريق مراقبة معدل زيادة التدفق عند بدء التشغيل، يمكن استخدام مقياس تدفق البخار بالاقتران مع صمام تحكم لتوفير وظيفة تسخين تدريجي. التسعير والنقل يمكن لأجهزة قياس تدفق البخار قياس استهلاك البخار (وبالتالي تكلفة البخار) إما بشكل مركزي أو عند نقاط الاستخدام الفردية. يمكن تسعير البخار بوصفه ماد خام في مراحل مختلفة من عملية الإنتاج مما يتيح حساب التكلفة الحقيقية لخطوط المنتجات الفردية. لفهم قياس التدفق، قد يكون من المفيد الغوص في بعض النظريات الأساسية لميكانيكا الموائع، وخصائص السائل الذي يُراد قياسه، والطريقة التي ينتقل بها عبر أنظمة الأنابيب.

خصائص السوائل

لكل سائل مجموعة فريدة من الخصائص، تشمل:

• الكثافة.
• اللزوجة الديناميكية.
• اللزوجة الحركية. الكثافة تم مناقشة هذا بالفعل في الوحدة 2، مبادئ هندسة البخار ونقل الحرارة، ومع ذلك، نظراً لأهميته، تُكرَّر النقاط ذات الصلة هنا. تحدد الكثافة (ρ) الكتلة (m) لكل وحدة حجم (V) لمادة ما (انظر المعادلة 2.1.2). تتغير كثافة كل من الماء المشبع والبخار المشبع مع درجة الحرارة. ويوضح ذلك الشكل 4.1.1. اللزوجة الديناميكية ****هذه هي الخاصية الداخلية التي يمتلكها السائل والتي تقاوم التدفق. إذا كان السائل ذو لزوجة عالية (مثل الزيت الثقيل) فإنه يقاوم التدفق بقوة. وأيضاً، سيتطلب السائل عالي اللزوجة طاقة أكبر لدفعه عبر الأنبوب مقارنة بسائل ذي لزوجة منخفضة. هناك عدة طرق لقياس اللزوجة، بما في ذلك توصيل مفتاح عزم الدوران بمجذاف ولفه في السائل، أو قياس مدى سرعة تدفق السائل عبر فتحة. تُوضِّح تجربة معملية بسيطة في المدرسة اللزوجة والوحدات المستخدمة: يُترك كروي يسقط عبر سائل تحت تأثير الجاذبية. يُستخدم قياس المسافة (d) التي يسقطها الكرة، والزمن (t) المستغرق للسقوط، لتحديد السرعة (u). ثم تُستخدم المعادلة التالية لتحديد اللزوجة الديناميكية: هناك ثلاث ملاحظات مهمة:

1. نتيجة المعادلة 4.1.1 تُسمى اللزوجة المطلقة أو الديناميكية للسائل وتُقاس بالثانية باسكال. وتُعبَّر اللزوجة الديناميكية أيضاً بـ ‘القوة اللزجة’.
2. العناصر الفيزيائية للمعادلة تعطي نتيجة بوحدة kg/m، ومع ذلك، تأخذ الثوابت (2 و 9) في الاعتبار كلاً من البيانات التجريبية والتحويل إلى ثواني باسكال (Pa s).
3. تعطي بعض المنشورات قيماً للزوجة المطلقة أو الديناميكية بالسنتي بواز (cP)، مثلاً: 1 cP = 10-3 Pa s المثال 4.1.1 يستغرق كرة فولاذية (كثافة 7 800 kg/m3) بقطر 20 مم 0.7 ثانية للسقوط مسافة 1 متر عبر زيت عند 20 درجة مئوية (الكثافة = 920 kg/m3).

اللزوجة الحركية

تعبر عن العلاقة بين اللزوجة المطلقة (أو الديناميكية) وكثافة السائل (انظر المعادلة 4.1.2). المثال 4.1.2 في المثال 4.1.1، كثافة الزيت معطاة 920 kg/m3 - الآن نحدد اللزوجة الحركية: عدد رينولدز (Re) جميع العوامل المذكورة أعلاه تؤثر على تدفق السوائل في الأنابيب. وتُجمَّع جميعها في كمية واحدة لابُعدية للتعبير عن خصائص التدفق، أي عدد رينولدز (Re).