طرق تقدير استهلاك البخار

كيفية حساب متطلبات البخار لتطبيقات التدفق وغير المتدفق. بما في ذلك التسخين الأولي، وفقد الحرارة وأحمال التشغيل.

يعتمد التصميم الأمثل لنظام البخار إلى حد كبير على ما إذا تم تحديد معدل استهلاك البخار بدقة. سيتيح هذا حساب أحجام الأنابيب، بينما يمكن تحجييم ملحقات مثل صمامات التحكم ومصائد البخار لتحقيق أفضل النتائج الممكنة. يمكن تحديد طلب البخار للمعدات باستخدام عدد من الطرق المختلفة: الحساب

من خلال تحليل الإنتاج الحراري لعنصر معدات باستخدام معادلات نقل الحرارة، قد يكون من الممكن الحصول على تقدير لاستهلاك البخار. على الرغم من أن نقل الحرارة ليس علمًا دقيقًا وقد تكون هناك العديد من المتغيرات المجهولة، من الممكن استخدام البيانات التجريبية السابقة من تطبيقات مماثلة. عادة ما تكون النتائج المُكتسبة باستخدام هذه الطريقة دقيقة بما يكفي لمعظم الأغراض. القياس

يمكن تحديد استهلاك البخار عن طريق القياس المباشر، باستخدام معدات قياس التدفق. ستوفر هذا بيانات نسبية دقيقة عن استهلاك البخار لمعدات قائمة. ومع ذلك، لمعدات لا تزال في مرحلة التصميم، أو غير قيد التشغيل، تكون هذه الطريقة ذات فائدة قليلة. التصنيف الحراري

يتم عرض التصنيف الحراري (أو تصنيف التصميم) غالبًا على لوحة الاسم لعنصر معدات فردي، كما يوفرها المصنفون. عادة ما تعبر هذه التصنيفات عن الإنتاج الحراري المتوقع بالكيلوواط، لكن استهلاك البخار المطلوب بالكجم/ساعة سيعتمد على ضغط البخار الموصى به. أي تغيير في أي معلم قد يغير الإنتاج الحراري المتوقع، يعني أن التصنيف الحراري (التصميم) والحمل المتصل (استهلاك البخار الفعلي) لن يكونا متساويين. تصنيف المصنع هو مؤشر على السعة المثالية لعنصر ولا يساوي بالضرورة الحمل المتصل.

في معظم الحالات، تكون الحرارة في البخار مطلوبة لعمل شيئين:

1. إنتاج تغيير في درجة حرارة المنتج، أي توفير مكون “تسخين”
2. الحفاظ على درجة حرارة المنتج مع فقد الحرارة لأسباب طبيعية أو بالتصميم، أي توفير مكون “فقد حرارة”. في أي عملية تسخين، سينخفض مكون “التسخين” مع ارتفاع درجة حرارة المنتج، وتنخفض درجة الحرارة التفاضلية بين لفافة التسخين والمنتج. ومع ذلك، سيزداد مكون فقد الحرارة مع ارتفاع درجة حرارة المنتج ويُفقد المزيد من الحرارة إلى البيئة من الأنبوب أو الأنابيب. الطلب الحراري الكلي في أي وقت هو مجموع هذين الم Componentين. المعادلة المستخدمة لتحديد كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة مادة (المعادلة 2.1.4، من الوحدة 2)، يمكن تطويرها لتنطبق على مجموعة من عمليات نقل الحرارة.

في شكلها الأصلي يمكن استخدام هذه المعادلة لتحديد كمية إجمالية من طاقة الحرارة على مدى العملية بأكملها. ومع ذلك، في شكلها الحالي، لا تأخذ في الاعتبار معدل نقل الحرارة. لتحديد معدلات نقل الحرارة، يمكن تقسيم أنواع تطبيقات تبادل الحرارة المختلفة إلى فئتين واسعتين: تطبيقات النوع غير المتدفق

حيث يكون المنتج الذي يتم تسخينه كتلة ثابتة ودفعة واحدة ضمن حدود وعاء. تطبيقات النوع المتدفق

حيث يتدفق سائل مُسخن باستمرار فوق سطح نقل الحرارة.

في تطبيقات النوع غير المتدفق، يُحتفظ بالسائل العملي كدفعة واحدة ضمن حدود الوعاء. لفافة بخار موجودة في الوعاء، أو غلاف بخار حول الوعاء، قد يشكلان سطح التسخين. تتضمن الأمثلة النموذجية مُسخنات تخزين المياه الساخنة كما هو موضح في الشكل 2.6.1 ومخازن الزيت حيث يُملأ خزان فولاذي دائري كبير بزيت لزج يحتاج إلى تسخين قبل ضخه. بعض العمليات تتعلق بتسخين المواد الصلبة؛ تتضمن الأمثلة النموذجية مكابس الإطارات ومكويات الغسيل والمُ Vulcanisers والأواني ذات الضغط.

في بعض تطبيقات النوع غير المتدفق، لا يكون وقت تسخين العملية مهمًا ويتم تجاهله. ومع ذلك، في تطبيقات أخرى، مثل الخزانات والم Vulcanisers، قد لا يكون مهمًا فحسب بل حاسمًا للعملية بأكملها.

نظرًا لعمليتي تسخين غير متدفقتين تتطلبان نفس كمية طاقة الحرارة لكن بأطوال زمنية مختلفة للتسخين. ستختلف معدلات نقل الحرارة بينما ستكون كميات الحرارة المنقولة الإجمالية متساوية.

يمكن الحصول على متوسط معدل نقل الحرارة لهذه التطبيقات بتعديل المعادلة 2.1.4 إلى المعادلة 2.6.1:

مثال 2.6.1

حساب متوسط معدل نقل الحرارة في تطبيق غير متدفق. يتم تسخين كمية من الزيت من درجة حرارة 35 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية على مدى 10 دقائق (600 ثانية). حجم الزيت 35 لترًا، وزنها النوعي 0.9 وحرارتها النوعية 1.9 كجول/كجم درجة مئوية على مدى هذا النطاق الحراري. حدد معدل نقل الحرارة المطلوب: بما أن كثافة الماء عند درجة الحرارة والضغط القياسيين (STP) هي 1000 كجم/م³

يمكن تطبيق المعادلة 2.6.1 سواء كان المُسخن صلبًا أو سائلًا أو غازًا.

ومع ذلك، لا تأخذ في الاعتبار نقل الحرارة المصاحب عندما يكون هناك تغيير في الطور. يمكن تحديد كمية الحرارة التي يوفرها تكثف البخار من المعادلة 2.6.2:

إذن يتبع أن استهلاك البخار يمكن تحديده من معدل نقل الحرارة والعكس صحيح، من المعادلة 2.6.3.

إذا افترضنا בשלב هذا أن نقل الحرارة فعّال بنسبة 100%، فإن الحرارة التي يوفرها البخار يجب أن تساوي احتياج الحرارة للسائل الذي يتم تسخينه. يمكن بعد ذلك استخدام هذا لبناء توازن حراري، حيث يتم مساواة الطاقة الحرارية المُقدمة والمطلوبة:

مثال 2.6.2

يحتوي خزان على 400 كجم من الكيروسين ويُسخن من 10 درجات مئوية إلى 40 درجة مئوية في 20 دقيقة (1200 ثانية)، باستخدام بخار عند 4 بار ج. حرارة الكيروسين النوعية 2.0 كجول/كجم درجة مئوية على مدى هذا النطاق الحراري. hfg عند 4.0 بار ج هو 2108.1 كجول/كجم. الخزان معزول جيدًا وفقد الحرارة ضئيل.

في بعض تطبيقات النوع غير المتدفق، قد لا يكون طول فترة الدفعة حاسمًا، وقد يكون وقت تسخين أطول مقبولًا. سيقلل هذا من استهلاك البخار اللحظي وحجم معدات المعدات المطلوبة.

تشمل الأمثلة النموذجية مبادلات حرارية من نوع غلاف وأنابيب، انظر الشكل 2.6.2 (تُسمى أيضًا مُسخنات غير مخزنة) ومبادلات حرارية من الألواح، توفر مياهًا ساخنة لأنظمة التدفئة أو العمليات الصناعية. مثال آخر هو بطارية مُسخن الهواء حيث يتخلى البخار عن حرارته للهواء المار باستمرار.

يوفر الشكل 2.6.3 مقطعًا نموذجيًا لدرجة الحرارة في مبادل حراري بمعدل تدفق سائل ثانوي ثابت. تظل درجة حرارة التكثف (TS) ثابتة طوال المبادل الحراري.

يُسخن السائل من T1 عند صمام الدخول إلى TS عند خروج المبادل الحراري.

لمعدل تدفق ثانوي ثابت، الحمل الحراري المطلوب (Q̇) يتناسب طرديًا مع ارتفاع درجة حرارة المنتج (ΔT). باستخدام المعادلة 2.6.1:

متوسط استهلاك البخار

يمكن تحديد متوسط استهلاك البخار لتطبيق النوع المتدفق مثل مبادل حراري للعملية أو مُسخن تخزين من المعادلة 2.6.6، كما هو موضح في المعادلة 2.6.7.

لكن بما أن متوسط نقل الحرارة يُحسب هو نفسه من تدفق الكتلة والحرارة النوعية وارتفاع درجة الحرارة، فمن الأسهل استخدام المعادلة 2.6.7.

مثال 2.6.3

يُستخدم بخار جاف مشبع عند 3 بار ج لتسخين ماء يتدفق بمعدل ثابت 1.5 لتر/ثانية من 10 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية. hfg عند 3 بار ج هو 2133.4 كجول/كجم، وحرارة الماء النوعية هي 4.19 كجول/كجم درجة مئوية حدد معدل تدفق البخار من المعادلة 2.6.7: بما أن لترًا واحدًا من الماء كتلته 1 كجم، فإن معدل تدفق الكتلة = 1.5 كجم/ثانية

عند بدء التشغيل، قد تكون درجة حرارة الدخول T1 أقل من درجة حرارة الدخول المتوقعة عند الحمل التشغيلي الكامل، مما يسبب طلبًا حراريًا أعلى. إذا كان وقت التسخين الأولي مهمًا للعملية، يجب تحجيم المبادل الحراري لتوفير هذا الطلب الحراري المتزايد. ومع ذلك، عادة ما يتم تجاهل أحمال التسخين الأولي في حسابات تصميم النوع المتدفق، حيث أن عمليات التشغيل الأولي عادة ما تكون غير متكررة، ووقت الوصول إلى ظروف التصميم ليس مهمًا جدًا. لذلك يتم تحجيم سطح تسخين المبادل الحراري عادةً على ظروف الحمل التشغيلي.

في تطبيقات النوع المتدفق، تميل خسائر الحرارة من النظام إلى أن تكون أقل بكثير من احتياج التسخين، وعادة ما يتم تجاهلها. ومع ذلك، إذا كانت خسائر الحرارة كبيرة، يجب تضمين متوسط فقد الحرارة (من أنابيب التوزيع بشكل أساسي) عند حساب مساحة سطح التسخين.

مكونات التسخين الأولي وفقد الحرارة

في أي عملية تسخين، سينخفض مكون التسخين الأولي مع ارتفاع درجة حرارة المنتج، وتنخفض درجة الحرارة التفاضلية عبر لفافة التسخين. ومع ذلك، سيزداد مكون فقد الحرارة مع ارتفاع درجة حرارة المنتج والوعاء، ويُفقد المزيد من الحرارة إلى البيئة من الوعاء أو الأنابيب. إذا تم تحجيم سطح التسخين فقط مع مراعاة مكون التسخين الأولي، فمن المحتمل ألا يكون هناك ما يكفي من الحرارة لوصول العملية إلى درجة حرارتها المتوقعة. عنصر التسخين، عندما يُحجَم على متوسط قيم كلتا الم Componentين، يجب أن يكون قادرًا عادةً على تلبية الطلب الحراري الإجمالي للتطبيق. أحيانًا، مع خزانات تخزين زيت ضخمة جدًا على سبيل المثال، قد يكون من المنطقي الحفاظ على درجة حرارة التخزين أقل من درجة حرارة الضخ المطلوبة، حيث سيقلل هذا من خسائر الحرارة من مساحة سطح الخزان. يمكن استخدام طريقة تسخين أخرى، مثل مُسخن التدفق الخارجي، كما هو موضح في الشكل 2.6.4.

تُوضع عناصر التسخين في غلاف معدني يبرز داخل الخزان ومُصمم بحيث يتم سحب الزيت في الجوار فقط وتسخينه إلى درجة حرارة الضخ. لذلك لا يُطلب التسخين إلا عند سحب الزيت، وبما أن درجة حرارة الخزان تنخفض، يمكن غالبًا الاستغناء عن العزل. يعتمد حجم مُسخن التدفق الخارجي على درجة حرارة الزيت بالجملة ودرجة حرارة الضخ ومعدل الضخ.

يمكن أيضًا اعتبار إضافة مواد إلى خزانات عملية مفتوحة الأعلى كمكون فقد حرارة سيزيد الطلب الحراري. ستعمل هذه المواد كمصرف حراري عند غمرها، ويجب أخذها في الاعتبار عند تحجيم مساحة سطح التسخين. أيا كان التطبيق، عندما يحتاج سطح نقل الحرارة إلى حساب، فمن الضروري أولاً تقييم متوسط معدل نقل الحرارة الإجمالي. من هذا، يمكن تحديد الطلب الحراري وحمل البخار للحمل الكامل وبدء التشغيل. سيتيح هذا أن يُبنى حجم صمام التحكم على أي من هذين الشرطين، حسب الاختيار.