استهلاك الطاقة للخزانات والأوعية

تسخين السوائل في الخزانات والأوعية هو متطلب مهم في الصناعات العملية. هناك أنواع عديدة من الخزانات ذات استخدامات مختلفة. يغطي هذا الدرس تحديد الاحتياجات الحرارية وحسابات نقل الحرارة وفقد الحرارة.

تسخين السوائل في الخزانات هو متطلب مهم في الصناعات العملية مثل صناعة الألبان ومعالجة المعادن والمنسوجات. قد يحتاج الماء إلى تسخين لتوفير خدمة مياه ساخنة؛ بديلًا، قد يحتاج سائل إلى تسخين كجزء من عملية الإنتاج نفسها، سواء أو لا كان تفاعل كيميائي متضمنًا. قد تشمل هذه العمليات خزانات تغذية الغلاية، وخزانات الغسيل، والمبخرات، وأواني الغليان، والقضايا، والمُسخنات السطحية، ومُعادات الغليان.

تُستخدم الخزانات المفتوحة والمغلقة لعدد كبير من التطبيقات العملية: خزانات تغذية الغلاية

خزان تغذية الغلاية هو في قلب أي نظام إنتاج بخار. يوفر مستودعًا للمكثف المرتجع والماء المُعالَج، لتغذية الغلاية. أحد أسباب تسخين الماء هو تقليل الأكسجين الداخل إلى الغلاية، مع (نظريًا) 0 جزء في المليون أكسجين عند 100 درجة مئوية. تُشغّل خزانات تغذية الغلاية عادة بين 80 درجة مئوية و90 درجة مئوية. خزانات المياه الساخنة

الماء الساخن مطلوب لعدد من العمليات في الصناعة. غالبًا ما يُسخن في خزانات بسيطة، مفتوحة أو مغلقة تستخدم البخار كوسط تسخين. يمكن أن تكون درجة حرارة التشغيل في أي مكان بين 40 درجة مئوية و85 درجة مئوية حسب التطبيق. خزانات إزالة الشحوم

إزالة الشحوم هي العملية التي تُزال فيها رواسب الشحوم وزيوت التبريد من أسطح المعادن، بعد التشكيل الآلي وقبل التجميع النهائي للمنتج. في خزان إزالة الشحوم، يُغمر المادة في محلول، تُسخن باللفائف إلى درجة حرارة بين 90 درجة مئوية و95 درجة مئوية. خزانات معالجة المعادن

خزانات معالجة المعادن، التي تُسمى أحيانًا أوعية، تُستخدم في عدد من العمليات المختلفة:

• لإزالة الحجر أو الصدأ.
• لتطبيق طلعدني على الأسطح. تتراوح درجات حرارة المعالجة عادة من 70 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. خزانات تخزين الزيت

تُحتاج خزانات التخزين لاحتواء زيوت لا يمكن ضخها عند درجات حرارة البيئة، مثل زيت الوقود الثقيل للغلايات. عند درجات حرارة البيئة، يكون الزيت الثقيل سميكًا جدًا ويجب تسخينه إلى 30 - 40 درجة مئوية لتقليل لزوجته والسماح بضخه. هذا يعني أن جميع خزانات تخزين الزيت الثقيل تحتاج إلى توفير تسخين لتسهيل الضخ. خزانات التسخين المستخدمة في الصناعات العملية

تُستخدم خزانات التسخين من قبل عدد من الصناعات العملية، انظر الجدول 2.9.1.

الجدول 2.9.1 الصناعات العملية التي تستخدم خزانات التسخين

في بعض التطبيقات قد يكون السائل العملي قد حقق درجة حرارة عمله، والوحيد المتبقي للحرارة قد يكون بسبب الخسائر من السطح الصلب للجدران و/أو الخسائر من سطح السائل.

ستتعامل هذه الوحدة مع الحسابات التي تحدد احتياجات الطاقة للخزانات: الوحدتان التاليتان (2.10 و2.11) ستتعاملان مع كيفية توفير هذه الطاقة. عند تحديد احتياج الحرارة لخزان أو وعاء من سائل عملي، قد يتكون الاحتياج الحراري الإجمالي من بعض أو جميع عدد من المكونات الرئيسية:

1. الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة السائل العملي من البارد إلى درجة حرارة التشغيل.
2. الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة مادة الوعاء من البارد إلى درجة حرارة التشغيل.
3. الحرارة المفقودة من السطح الصلب للوعاء إلى الغلاف الجوي.
4. الحرارة المفقودة من سطح السائل المكشوف للغلاف الجوي.
5. الحرارة الممتصة من أي أشياء باردة مُغمرة في السائل العملي. ومع ذلك، في كثير من التطبيقات ستكون فقط بعض المكونات أعلاه مهمة. على سبيل المثال، في حالة خزان تخزين زيت مغلق ومعزول تمامًا، قد يتكون الاحتياج الحراري الإجمالي بالكامل تقريبًا من الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة السائل. البنود 1 و2، الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة السائل ومادة الوعاء، والبند 5، الحرارة الممتصة من أي أشياء باردة مُغمرة في السائل العملي، يمكن العثور عليها باستخدام المعادلة 2.6.1. بشكل عام، يمكن تحديد البيانات بدقة، وبالتالي يكون حساب الاحتياج الحراري مباشرًا ودقيقًا.

البنود 3 و4، خسائر الحرارة من أسطح الوعاء والسائل يمكن تحديدها باستخدام المعادلة 2.5.3.

ومع ذلك، حسابات فقد الحرارة أكثر تعقيدًا، وعادة ما يُعتمد على البيانات التجريبية أو الجداول المبنية على عدة افتراضات. يتبع ذلك أن حسابات فقد الحرارة أقل دقة.

فقد الحرارة من السطح الصلب للوعاء إلى الغلاف الجوي لن تنتقل الحرارة إلا إذا كان هناك فرق في درجة الحرارة بين السطح والهواء المحيط. يوفر الشكل 2.9.1 بعض معاملات نقل الحرارة الإجمالية النموذجية لنقل الحرارة من أسطح فولاذية مسطحة مكشوفة إلى الهواء المحيط. إذا لم يكن قاع الخزان مكشوفًا للهواء المحيط، بل مسطّح على الأرض، فمن المعتاد اعتبار هذا المكون من فقد الحرارة مُهمَلًا، ويمكن تجاهله بأمان.

• لـ 25 مم عزل، يجب ضرب قيمة U بعامل 0.2
• لـ 50 مم عزل، يجب ضرب قيمة U بعامل 0.1 معاملات نقل الحرارة الإجمالية المقدمة في الشكل 2.9.1 هي لظروف “هواء ساكن” فقط.

يُظهر الجدول 2.9.2 عوامل الضرب التي يجب تطبيقها على هذه القيم إذا كان يتم أخذ سرعة الهواء في الاعتبار. ومع ذلك، إذا كان السطح معزولًا جيدًا، فمن غير المرجح أن تزيد سرعة الهواء من فقد الحرارة بأكثر من 10% حتى في الظروف المكشوفة.

الجدول 2.9.2 تأثير حركة الهواء على نقل الحرارة

السرعات الأقل من 1 م/ث يمكن اعتبارها ظروف مُحمية، بينما 5 م/ث يمكن اعتبارها نسيمًا لطيفًا (大约 3 على مقياس Beaufort)، و10 م/ث نسيمًا قويًا (Beaufort 5)، و16 م/ث عاصفة متوسطة (Beaufort 7).

لخزانات تخزين الزيت بالجملة، يمكن استخدام معاملات نقل الحرارة الإجمالية المقتبسة في الجدول 2.9.3.

الجدول 2.9.3 معاملات نقل الحرارة الإجمالية لخزانات الزيت

خزانات المياه: فقد الحرارة من سطح الماء إلى الغلاف الجوي يربط الشكل 2.9.2 فقد الحرارة من سطح الماء بسرعة الهواء ودرجة حرارة السطح. في هذا المخطط يُعتبر الهواء “الساكن” بسرعة 1 م/ث، والخزانات في مواقع مُحمية في الهواء الطلق تconsider سرعات حوالي 4 م/ث، بينما تconsider الخزانات في مواقع مكشوفة في الهواء الطلق بسرعات حوالي 8 م/ث. يوفر هذا المخطط فقد الحرارة بالواط/م²而不是 وحدات معامل نقل الحرارة الإجمالي بالواط/م² درجة مئوية. هذا يعني أن هذه القيمة يجب ضربها بمساحة السطح لتوفير معدل نقل الحرارة، لأن فرق درجة الحرارة بين الماء والهواء قد أُخذ في الاعتبار بالفعل. لم تتأثر خسائر الحرارة من سطح الماء، كما هو موضح في الشكل 2.9.2، بشكل ملحوظ برطوبة الهواء. النطاق الكامل من الرطوبات المحتمل مواجهتها في الممارسة العملية مغطى بسُمك المنحنى. ومع ذلك، ينظر الرسم البياني في خسائر الحرارة عند درجة حرارة هواء 15.6 درجة مئوية ورطوبة هوائية 55%. الظروف المختلفة عن هذه يمكن حسابها من مركز الدعم الهندسي على موقع Spirax Sarco. لتحديد فقد الحرارة من المخطط، يجب اختيار درجة حرارة سطح الماء من المقياس العلوي. يجب بعد ذلك إسقاط خط عموديًا لأسفل إلى منحنى فقد الحرارة (العريض).

للخزانات الداخلية يجب إسقاط خط أفقي من التقاطع إلى المقياس الأيسر. للخزانات الخارجية يجب إسقاط خط أفقي إما يسارًا أو يمينًا حتى يتقاطع مع الموقع المطلوب، إما مُحمي أو مكشوف. الإسقاط العمودي لأسفل سيكشف بعد ذلك فقد الحرارة على المقياس السفلي. في معظم الحالات، سيكون فقد الحرارة من سطح السائل على الأرجح عنصر فقد الحرارة الأكثر أهمية. حيث يكون عمليًا، يمكن تقليل فقد الحرارة بتغطية سطح السائل بطبقة من كرات البولستيرين التي توفر “بطانية” عازلة. أي حل لتقليل خسائر الحرارة يصبح أكثر أهمية عندما توضع الخزانات في الخارج في مواقع مكشوفة كما هو موضح في الرسم البياني في الشكل 2.9.2

مثال 2.9.1

للخزان الموضح في الشكل 2.9.3، حدد: الجزء 1. متوسط معدل نقل الحرارة المطلوب أثناء بدء التشغيل. الجزء 2. أقصى معدل نقل الحرارة المطلوب أثناء التشغيل.

• الخزان غير مُعزل ومفتوح الأعلى ويوضع على أرضية خرسانية داخل مصنع. أبعاده 3 م طول × 3 م عرض × 2 م ارتفاع. المساحة الإجمالية للخزان = 24 م² (باستثناء القاعدة). معامل نقل الحرارة من الخزان/الهواء، U1 = 11 واط/م² درجة مئوية. الخزان ممتلئ بـ 2/3 من محلول حمض ضعيف (cp = 3.9 كجول/كجم درجة مئوية) له نفس كثافة الماء (1000 كجم/م³)
• الخزان مصنوع من لوح فولاذي لين بسُمك 15 مم. (الكثافة = 7850 كجم/م³، cp = 0.5 كجول/كجم درجة مئوية)
• يُستخدم الخزان في أيام متناوبة، عندما يحتاج المحلول إلى رفعه من أدنى درجة حرارة محيطة م considered 8 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية في ساعتين، والبقاء عند تلك درجة الحرارة خلال النهار.
• عندما يصل الخزان إلى درجة الحرارة، يُغمر قطعة فولاذية وزنها 500 كجم كل 20 دقيقة دون فيضان الخزان. (cp = 0.5 كجول/كجم درجة مئوية

الجزء 1 - حدد متوسط معدل نقل الحرارة المطلوب أثناء Q̇M (بدء التشغيل)

الجزء 1.2 معادلة تسخين مادة الخزان Q̇M (الخزان)

الجزء 1.3 خسائر الحرارة من جوانب الخزان Q̇M (الجوانب)

الجزء 1.4 خسائر الحرارة من سطح السائل Q̇M (السطح)

الجزء 1.5 إجمالي احتياج نقل الحرارة المتوسط Q̇M (بدء التشغيل)

الجزء 2 - حدد الحمل التشغيلي، أي أقصى معدل نقل الحرارة المطلوب أثناء التشغيل Q̇(التشغيل)

في ظروف التشغيل، السائل والخزان (A1 و A2، صفحة 2.9.6) قد وصلا بالفعل إلى درجة حرارة التشغيل، لذا مكونات التسخين = 0. في ظروف التشغيل، ستكون خسائر الحرارة من السائل والخزان (A3 و A4) أكبر. هذا بسبب الفرق الأكبر بين درجة حرارة السائل والخزان والمحيط. غمر القطعة في السائل هو بوضوح هدف العملية، لذا يجب حساب هذا الحمل الحراري وإضافته إلى خسائر الحرارة التشغيلية.

الجزء 2.1 خسائر الحرارة من جوانب الخزان

الجزء 2.2 خسائر الحرارة من سطح السائل Q̇(السطح)

الجزء 2.3 تسخين القطع الفولاذية المُغمرة في الخزان Q̇(القطعة)

الجزء 2.4 إجمالي احتياجات نقل الحرارة المتوسطة Q̇(التشغيل)(الحمل التشغيلي)

لاحظ أن احتياج الطاقة التشغيلي (59 كيلوواط) أقل بشكل ملحوظ من احتياج طاقة بدء التشغيل (367 كيلوواط). هذا نموذجي، وحيثما أمكن، يمكن تمديد فترة بدء التشغيل.

سيكون لهذا تأثير تقليل أقصى معدل تدفق طاقة وله فوائد في تسوية الطلب على الغلاية، وجعل طلب أقل على نظام التحكم في درجة الحرارة. للخزانات المُصممة للعمل المستمر، غالبًا ما يكون من الضروري فقط حساب متطلبات التشغيل أي حسابات الجزء 2.