تسخين الأواني والخزانات بالحقن البخاري

يتعلق الحقن البخاري المباشر بتفريغ فقاعات البخار في سائل بدرجة حرارة أقل لنقل الحرارة. يشرح هذا الدرس العملية والطرق المستخدمة، بما في ذلك حسابات نقل الحرارة ذات الصلة.

يتعلق الحقن البخاري المباشر بتفريغ سلسلة من فقاعات البخار في سائل بدرجة حرارة أقل. تتكثف فقاعات البخار وتُطلق حرارتها إلى السائل المحيط. تُنقل الحرارة عن طريق الاتصال المباشر بين البخار والسائل، وبالتالي تُستخدم هذه الطريقة فقط عندما يكون التخفيف وزيادة كتلة السائل مقبولين. لذلك، يكون السائل المُسخن عادةً هو الماء. نادرًا ما يُستخدم الحقن البخاري المباشر لتسخين المحلولات التي يحدث فيها تفاعل كيميائي، لأن تخفيف المحلول سيقلل من معدل التفاعل ويُخفض الإنتاجية. الحقن البخاري المباشر هو الطريقة الأكثر استخدامًا لتسخين خزانات تغذية الغلايات في جميع أنحاء الصناعة. غالبًا ما تُختار هذه الطريقة لبساطتها. لا حاجة لسطح نقل حرارة أو مجموعة مصاعد بخارية، ولا حاجة للنظر في نظام إعادة المكثف.

حسابات استهلاك البخار

خلال الحقن البخاري المباشر، تُنقل الحرارة بطريقة مختلفة عن التبادل الحراري غير المباشر. بما أن الحرارة لا تُنقل عبر سطح، والبخار يمتزج بحرية مع السائل العملي المُسخن، يجب حساب كمية الحرارة القابلة للاستخدام في البخار بطريقة مختلفة. يمكن إيجاد ذلك باستخدام المعادلة 2.11.1:

تُظهر المعادلة 2.11.1 أن الحقن البخاري يُستفيد من كل الإنتالبيا للتبخر (أو الحرارة الكامنة) ونسبة من الإنتالبيا السائلة الموجودة في البخار. ستعتمد النسبة الفعلية من الإنتالبيا السائلة المستخدمة على درجة حرارة الماء في نهاية عملية الحقن.

فرق رئيسي واحد بين التسخين غير المباشر والحقن البخاري المباشر هو أن حجم (وكتلة) السائل العملي يزداد مع إضافة البخار، بمقدار البخار المحقون. فرق آخر هو أنه عند حساب معدل تدفق البخار إلى اللفافة البخارية، يُنظر في ضغط اللفافة، لكن للحقن البخاري، يُنظر في الضغط قبل صمام التحكم. في بعض الحالات (حيث لا يكون سطح السائل عند مستوى أنبوب الفائض)، سيزيد هذا من رأس السائل فوق المحقن مع مرور الوقت. ومع ذلك، من المرجح أن يكون هذا الزيادة صغيرة ونادرًا ما تُؤخذ في الاعتبار في الحسابات.

العوامل المؤثرة على معدل نقل الحرارة

في المعادلة 2.11.1، يرتبط معدل استهلاك البخار مباشرة بمتطلب الحرارة. ما لم يُصمم نظام الحقن البخاري بحيث تكون جميع الظروف مواتية لأقصى نقل للحرارة، فقد تنكسر فقاعات البخار ببساطة سطح السائل وت escape إلى الغلاف الجوي؛ ستفقد بعض الحرارة الموجودة في البخار إلى الغلاف الجوي ومعدل نقل الحرارة الفعلي إلى الماء سيكون أقل من المتوقع. في حالة اللفافة المغمورة، يعتمد أقصى معدل نقل الحرارة في بداية فترة الإسخان على أقصى معدل تدفق بخار مسموح عبر صمام التحكم وأنابيبه المصاحبة، وأقصى إخراج حراري تسمح به مساحة سطح اللفافة. أثناء الحقن البخاري المباشر، قد يُتوقع أن أقصى معدل نقل الحرارة في بداية فترة الإسخان يعتمد على أقصى معدل تدفق عبر صمام التحكم، والأنبوب أو المحقن نفسه. ومع ذلك، كما أُشير أعلاه، سيعتمد أيضًا على عوامل أخرى مثل:

• حجم فقاعة البخار يعتمد تكثف فقاعة البخار على نقل الحرارة عبر سطح الفقاعة. لضمان تكثف فقاعة البخار بالكامل، يجب أن يكون نسبة المساحة/الحجم أكبر ما يمكن. الفقاعات الأصغر لديها مساحة سطح أكبر لكل وحدة حجم من الفقاعات الأكبر، لذا من المرغوب فيه إنتاج فقاعات صغيرة جدًا. فرق الضغط (بين أنبوب البخار ونقطة تفريغ البخار في الماء) عند ظهور الفقاعة سيؤثر أيضًا على حجم فقاعة البخار. سيزداد الحجم النوعي للبخار مع انخفاض الضغط، بحيث يُسبب انخفاض الضغط زيادة حجم فقاعة البخار أثناء هروبها إلى السائل. حتى لو أُصدرت فقاعة البخار من ثقب صغير جدًا، فقد تزداد الفقاعة بشكل كبير في الحجم إذا كان ضغط البخار مرتفعًا. وبالتالي، يكون الضغط الأقل في أنبوب التوزيع أفضل.
• رأس السائل فوق نقطة الحقن سيُنشئ رأس السائل فوق نقطة الحقن ضغطًا خلفيًا بحيث يكون فرق الضغط أقل من ضغط البخار. إذا كان رأس السائل كبيرًا وضغط البخار في أنبوب التوزيع منخفضًا، فقد يكون هناك تغير ضغط صغير جدًا بحيث يُبقى حجم الفقاعات المتشكلة في أدنى حد. رأس سائل أكبر فوق نقطة الحقن سيعطي فقاعات البخار أقصى فرصة للتكثف قبل وصولها إلى السطح.
• سرعة الفقاعة سرعة الفقاعة عند نقطة الحقن ستعتمد أيضًا على الفرق بين ضغط البخار ورأس السائل. من المرغوب فيه الحفاظ على هذا فرق الضغط منخفضًا ما يمكن، بحيث تكون سرعات الفقاعات منخفضة أيضًا ما يمكن وتُمنح الفقاعات أقصى وقت للتكثف قبل وصولها إلى السطح.
• درجة حرارة السائل معدل تكثف البخار يتناسب طرديًا مع فرق درجة الحرارة بين البخار والسائل المُسخن. كما هو الحال مع جميع عمليات نقل الحرارة، يتناسب معدل التبادل الحراري طرديًا مع الفرق في درجة الحرارة. من المستحسن دائمًا التأكد من أن درجة حرارة السائل مُتحكم فيها بشكل صحيح ومُحتفظ بها عند الحد الأدنى المطلوب للتطبيق، بحيث يُحافظ على أقصى معدل نقل الحرارة ولا يوجد هدر للطاقة.

هذه ببساطة أنبوب مُثبت داخل الخزان، مع ثقوب محفورة في مواضع منتظمة (عادةً الساعة 4 والساعة 8) عند النظر من النهاية، متساوية البعد على طول الأنبوب، والنهاية مُغلقة. يخرج البخار من الأنبوب عبر الثقوب كفقاعات صغيرة، إما أن تتكثف كما هو مقصود أو تصل إلى سطح السائل (انظر الشكل 2.11.1).

أنابيب التوزيع رخيصة التصنيع وسهلة التركيب، لكنها عُرضة لمستويات عالية من الاهتزاز والضوضاء. طريقة أكثر فعالية بكثير هي استخدام محقن بخاري مُصمم بشكل صحيح.

مثال 2.11.1 - حدد حمل البخار لتسخين خزان ماء بالحقن البخاري

هذه الحسابات (الخطوات 1 إلى 5) مبنية على الأمثلة 2.9.1 و2.10.1 فيما يتعلق بخسائر الحرارة، لكن مع احتواء الخزان على ماء (cp = 4.19 كجول/كجم درجة مئوية)، بدلاً من محلول حمض ضعيف وتسخين الماء بالحقن البخاري بدلاً من اللفافة البخارية. الخطوة 1 - أوجد الطاقة اللازمة لتسخين 12 000 كجم من الماء من 8 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية في ساعتين باستخدام المعادلة 2.6.1:

يُزود البخار إلى صمام التحكم عند 2.6 بار. لحساب متوسط معدل تدفق البخار، من الضروري تحديد إجمالي الإنتالبيا في البخار (hg) عند هذا الضغط. يمكن ملاحظة من الجدول 2.11.1 (مقتطف من جداول البخار) أن إجمالي إنتالبيا البخار (hg) عند 2.6 بار هو 2733.89 كجول/كجم.

الجدول 2.11.1 مقتطف من جداول البخار

الخطوة 2 - أوجد متوسط معدل تدفق البخار لتسخين الماء باستخدام المعادلة 2.11.1:

الخطوة 3 - أوجد متوسط معدل تدفق البخار لتسخين مادة الخزان (الفولاذ). من المثال 2.9.1، متوسط معدل نقل الحرارة لمادة الخزان = Q̇(tank) = 14 كيلوواط يُحسب متوسط معدل تدفق البخار لتسخين مادة الخزان باستخدام المعادلة 2.11.1 مرة أخرى:

الخطوة 4 - أوجد متوسط معدل تدفق البخار لتعويض خسائر الحرارة من الخزان أثناء الإسخان. من المثال 2.9.1:

بينما من المعقول قبول أن إنتالبيا البخار السائلة ستساهم في ارتفاع درجة حرارة الماء ومادة الخزان، فمن الأصعب قبول كيف ستضيف إنتالبيا البخار السائلة إلى الحرارة المفقودة من الخزان بسبب الإشعاع. لذلك، تعتمد المعادلة لحساب البخار المستخدم لخسائر الحرارة (المعادلة 2.11.2) فقط على إنتالبيا البخار في البخار عند الضغط الجوي.

الخطوة 5 - حدد حمل البخار لتسخين خزان ماء بالحقن البخاري. يمكن حساب إجمالي متوسط معدل تدفق البخار كما يلي:

من المهم التذكر مع أنظمة الحقن البخاري أن الكتلة النهائية للسائل تساوي كتلة السائل البارد، زائد كتلة البخار المُضافة.

في هذا المثال، بدأت العملية بـ 12 000 كجم من الماء. خلال فترة الإسخان المطلوبة البالغة ساعتين، حُقن البخار بمعدل 569 كجم/ساعة. لذلك زادت كتلة السائل بمقدار 2 س × 569 كجم/ساعة = 1 138 كجم. الكتلة النهائية للسائل هي: 12 000 كجم + 1 138 كجم = 13 138 كجم ال 1138 كجم الإضافية من المكثف لها حجم يبلغ حوالي 1 138 لتر (1.138 م³) وستزيد أيضًا مستوى الماء بمقدار:

من الواضح أن خزان العملية يحتاج إلى أن يكون لديه مساحة كافية فوق مستوى الماء الأولي للسماح بهذه الزيادة. من أجل السلامة، يجب دائمًا تضمين أنبوب فائض في بنية الخزان حيث يكون الحقن البخاري متضمنًا.

بديلًا، إذا كان متطلب العملية هو إنهاء كتلة 12 000 كجم، فإن كتلة الماء في بداية العملية ستكون:

بديل أكثر فعالية لأنبوب التوزيع هو المحقن البخاري كما هو موضح في الشكل 2.11.3. يسحب المحقن السائل البارد ويمزجه مع البخار داخل المحقن، ويُوزع السائل المُسخن إلى الخزان.

التصميم الهندسي لجسم المحقن أكثر تعقيدًا من أنبوب التوزيع البسيط، ويسمح باستخدام البخار عند ضغوط أعلى. يُنشأ منطقة مضطربة داخل جسم المحقن، مما يضمن حدوث خلط شامل بين البخار والسائل، حتى عند الضغوط المرتفعة نسبيًا. هذا له تأثير تحريك وتدوير السائل بحيث يُحافظ على درجة حرارة ثابتة في جميع أنحاء الخزان، دون تدرج حراري أو بقع باردة.

هذه المحقنات أكثر إحكامًا من أنابيب التوزيع، وبالتالي يمكن تجاه التدخل مع الأشياء التي قد تُغمر في الخزان. هي أكثر متانة وأ generally أكثر هدوءًا من أنابيب التوزيع، على الرغم من أن مشاكل الضوضاء قد لا تزال تُصادف إذا لم تُثبت بشكل صحيح.

الضوضاء المتعلقة بالمحقنات البخارية

عند استخدام محقنات بخارية عالية الضغط، تُنتج ثلاثة مستويات ضوضاء واضحة في الظروف التالية:

• التشغيل العادي حيث تكون ضغوط البخار عند مدخل المحقن أعلى من 2 بار، يمكن وصف الضوضاء المُنتجة خلال ظروف التشغيل العادية بهدير خافت. تحدث الضوضاء بسبب تكثف البخار داخل أنبوب التفريغ، عندما يمتزج مع الماء المُعاد تدويره عبر الثقوب في جسم الصب. في الظروف العادية، يكون التفريغ من أنبوب المحقن أ warmer بحوالي 10 درجات مئوية من الماء الداخل. هذا النوع من الضوضاء يزداد مع ضغط البخار ودرجة حرارة الماء وعدد المحقنات، لكنه نادرًا ما يكون مزعجًا عند ضغوط بخار أقل من 8 بار. على الرغم من حدوث دوران قوي لمحتويات الخزان عند ضغوط أعلى من 8 بار، إلا أنه لا ينبغي أن يحدث اهتزاز كبير.
• التكثف غير الكامل يتميز بصوت دق خافت وأحيانًا يرافقه اهتزاز شديد. يحدث عندما تكون درجة حرارة السائل مرتفعة جدًا (عادةً فوق 90 درجة مئوية). عندما يكون السائل ساخنًا جدًا، يصبح المحقن أقل كفاءة وتهروب نسبة من البخار من أنبوب التفريغ. عند ضغوط بخار أعلى، قد يُسبب تكثف البخار اهتزازًا، وهو غير مُوصى به للخزانات الجوية. ومع ذلك، في الأوعية الأسطوانية ذات التصميم المتين، قد لا يُسبب هذا أي مشاكل.
• معدلات التدفق المنخفضة عندما ينخفض ضغط البخار عند مدخل المحقن إلى أقل من 1.5 بار، يمكن سماع طقطقة مميزة. في هذه الظروف، لا يستطيع البخار أن يُطلق إنتالبيا التبخر قبل مغادرة أنبوب المحقن. عند معدلات التدفق المنخفضة، يسافر البخار بسرعة أقل من أوضاع التشغيل الأخرى، وتُوجد فقاعات بخار متكاثفة على جسم الصب وفي الأنابيب المتصلة، مما يُسبب حدوث تكهف. غالبًا ما تُعتبر هذه الضوضاء مزعجة، وقد تُوجد إذا كان نظام المحقن البخاري قد حُدد حجمه بشكل كبير. قد تحدث الضوضاء أيضًا بسبب تركيب ضعيف للمحقن. قد تكون جوانب الخزان المستطيل مصنوعة من ألواح مرنة نسبيًا. توصيل محقن بمنتصف لوح مرن قد يُسبب اهتزازًا وضوضاء. قد يكون من الأفضل في كثير من الأحيان تركيب المحقن أقرب إلى زاوية الخزان حيث يكون الهيكل أكثر صلابة.

مثال 2.11.2

بناءً على البيانات من المثال 2.11.1، اقترح نظام حقن بخاري. معدل الحقن البخاري المطلوب = 569 كجم/ساعة ضغط الحقن البخاري = 1.0 بار

الجدول 2.11.2 مخطط سعة المحقنات البخارية المعتادة

المحقن الأكبر (IN40M) له سعة 400 كجم/ساعة عند 1.0 بار، لذا سيتطلب هذا التطبيق:

من الناحية المثالية، بسبب الضغوط المنخفضة involved، ستُثبت المحقنات في أطراف الخزان المتقابلة لإعطاء خلط جيد.

بديل سيكون استخدام بخار ضغط أعلى. سيسمح هذا باستخدام محقن واحد أصغر فقط، مما يقلل التكاليف ويُوفر خلطًا جيدًا.

طريقة بديلة لحساب حمل البخار المحقون

الطريقة السابقة المستخدمة في هذه الوحدة لحساب متوسط معدل تدفق البخار تتطلب حساب متوسط الحمل الحراري أولاً. هذا مُصوّر بالمعادلة 2.11.1:

إذا لم يكن متوسط معدل نقل الحرارة معروفًا، يمكن استخدام طريقة أخرى لتحديد متوسط معدل تدفق البخار. يتطلب هذا استخدام ميزان حراري كما هو موضح أدناه.

يجب ملاحظة أن كلتا الطريقتين تُعيدان نفس النتيجة تمامًا، لذا يعتمد اختيار أي منهما على خيار المستخدم. حساب متوسط معدل تدفق البخار عن طريق ميزان حراري يُعتبر ميزان حراري حيث إن المحتوى الحراري الأولي في الماء زائد الحرارة المُضافة من البخار يساوي المحتوى الحراري النهائي. معادلة الميزان الحراري للماء في الخزان موضحة في المعادلة 2.11.3:

كتلة البخار المطلوب حقنها

يمكن تحديد كتلة البخار المطلوب حقنها بشكل أكثر مباشرة من المعادلة 2.11.4، التي طُوّرت من المعادلة 2.11.3.

مثال 2.11.3

افترض نفس الظروف الموجودة في المثال 2.11.1.

إجراء ميزان حراري على الماء في الخزان باستخدام المعادلة 2.11.4:

إجراء ميزان حراري على مادة الخزان

خسائر الحرارة من جوانب الخزان وسطح الماء هي نفسها المحسوبة سابقًا، أي 24 كجم/ساعة.

هذه هي نفس النتيجة التي أُخذت سابقًا في هذه الوحدة من المعادلتين 2.11.1 و2.11.2، وتثبت أنه يمكن استخدام أي من الطريقتين لحساب متوسط معدل تدفق البخار لتسخين الخزان ومحتوياته.