استهلاك البخار للأنابيب ومُدفئات الهواء
سيتكثف البخار ويُطلق إنتالبيا التبخر على جدران أي أنبوب أو أنبوب عند درجة حرارة أقل. عادةً ما لا يكون ممكنًا أو ضروريًا حساب استهلاك البخار بدقة. يتيح هذا الدرس إجراء تقديرات مُرضية لأغلب الأغراض العملية.
سيتكثف البخار ويُطلق إنتالبيا التبخر على جدران أي أنبوب أو أنبوب مكشوف للهواء المحيط. في بعض الحالات، مثل خطوط البخار الرئيسية، يُقلل نقل الحرارة بعزل الأنابيب. في حالات أخرى مثل بطاريات مُدفئات الهواء، قد يُعزز نقل الحرارة باستخدام الزعانف على خارج الأنابيب. عادةً ما لا يكون ممكنًا أو ضروريًا حساب استهلاك البخار بدقة. الأمثلة في هذه الوحدة تسمح بإجراء تقديرات كافية لأغلب الأغراض العملية.
خطوط البخار الرئيسية
خطوط البخار الرئيسية
في أي نظام بخاري، يجب أخذ تكثف البخار الناتج عن الأنبوب نفسه في الاعتبار. سيكون معدل التكثف في أعلى مستوياته خلال فترة الإسخان، وهذا هو ما يجب أن يُحدد حجم المصاعد البخارية المستخدمة لتصريف الخطوط الرئيسية. مع تشغيل الخط الرئيسي للبخار، سيكون هناك أيضًا فقد حرارة أصغر (لكن مستمر) من الأنبوب. يمكن حساب كل من هذين المكونين كـ ‘حمل الإسخان’ و’حمل التشغيل’.
حمل الإسخان
حمل الإسخان
ستُحتاج الحرارة في البداية لرفع درجة حرارة الأنبوب البارد إلى درجة حرارة التشغيل. من الممارسة الجيدة فعل ذلك ببطء لأسباب أمان، كما تستفيد الأنابيب أيضًا من تقليل الضغوط الحرارية والميكانيكية. سيؤدي ذلك إلى عدد أقل من التسربات وتكاليف صيانة أقل وعمر أطول للأنبوب. يمكن تحقيق الإسخان البطيء بتركيب صمام صغير بالتوازي مع صمام العزل الرئيسي (الشكل 2.12.1). يمكن تحديد حجم الصمام بناءً على وقت الإسخان المطلوب. أتمتة صمام الإسخان لفتحه ببطء على الأنابيب الكبيرة يمكن أن يُحسّن الأمان. يمكن استخدام صمام عزل رئيسي واحد بنجاح، لكن، بما أنه سيُحدد حجمه لتمرير متطلبات تدفق تصميم خط الأنابيب، سيكون كبيرًا الحجم خلال فترة الإسخان وسيعمل قريبًا جدًا من مقعده في هذا الوقت. يضمن فاصل مُثبت قبل الصمام أن البخار المار عبره جاف، ويحمي الأجزاء الداخلية من التآكل المبكر. الوقت المستغرق لتسخين أي خط بخار رئيسي يجب أن يكون أطول ما يمكن ضمن الحدود المقبولة لتقليل الضغوط الميكانيكية للأنابيب، وتحسين الأمان وتقليل أحمال بدء التشغيل.
إذا أُخذ 10 دقائق بدلاً من 5 دقائق، سيُخفض معدل تدفق البخار الأولي إلى النصف. وقت إسخان 20 دقيقة سيقلل حمل الإسخان أكثر.
معدل تدفق البخار المطلوب لرفع درجة حرارة نظام الأنابيب إلى درجة حرارة التشغيل هو دالة للكتلة والحرارة النوعية للمادة، وزيادة درجة الحرارة، وإنتالبيا البخار المستخدم، والوقت المسموح. يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة 2.12.1:
مثال 2.12.1 خسائر الحرارة من خط بخار
مثال 2.12.1 خسائر الحرارة من خط بخار
يتكون نظام من 100 م من خط رئيسي بقطر 100 مم من الفولاذ الكربوني، يتضمن 9 أزواج من وصلات الفلنج PN40، وصمام عزل واحد. cp للفولاذ = 0.49 كجول/كجم درجة مئوية درجة حرارة البيئة/البداية هي 20 درجة مئوية وضغط البخار هو 14.0 بار، 198 درجة مئوية من جداول البخار (انظر الجدول 2.12.2).
الجدول 2.12.2 مقتطف من جداول البخار
| الضغط بار | درجة حرارة التشبع درجة مئوية | الإنتالبيا (الطاقة) بالكجول/كجم | الحجم النوعي للبخار الجاف المشبع م3/كجم | ||
| الماء hf | التبخر hfg | البخار hg | |||
| 14 | 198 | 845 | 1 947 | 2 792 | 0.132 |
حدد:
الجزء 1. معدل تكثف الإسخان لمدة إسخان 30 دقيقة.
الجزء 2. حمل التشغيل إذا كان سُمك العزل 75 مم. الجزء 1 احسب حمل الإسخان
ملاحظة: سيُستخدم هذا المعدل التكثفي لاختيار صمام تحكم إسخان مناسب.
عند اختيار المصاعد البخارية، يجب ضرب هذا المعدل التكثفي بعامل اثنين للسماح بضغط البخار الأقل الذي سيحدث حتى اكتمال الإسخان، ثم القسمة على عدد المصاعد المُثبته لإعطاء السعة المطلوبة لكل مصعد.
الجدول 2.12.3 الوزن المعتاد لأنابيب الفولاذ والفلنجات والبراغي، وصمامات العزل بالكجم
| حجم الأنبوب (مم) | Sch. 40 أنبوب كجم/م | وزن الفلنج لكل زوج | صمام عزل مفلنج PN40 | ||
| PN40 | ASME (ANSI) 150 | ASME (ANSI) 300 | |||
| 15 | 1.3 | 1.7 | 1.8 | 2 | 4 |
| 20 | 1.7 | 2.3 | 2.2 | 3 | 5 |
| 25 | 2.5 | 2.6 | 2.4 | 4 | 6 |
| 32 | 3.4 | 4 | 3 | 6 | 8 |
| 40 | 4.1 | 5 | 4 | 8 | 11 |
| 50 | 5.4 | 6 | 6 | 9 | 14 |
| 65 | 8.6 | 9 | 8 | 12 | 19 |
| 80 | 11.3 | 11 | 11 | 15 | 26 |
| 100 | 16.1 | 16 | 16 | 23 | 44 |
| 150 | 28.2 | 28 | 26 | 32 | 88 |
الجزء 2 حمل التشغيل ****سيتكثف البخار مع فقدان الحرارة من الأنبوب إلى البيئة: يعتمد معدل التكثف على العوامل التالية:
- درجة حرارة البخار.
- درجة حرارة البيئة.
- كفاءة العزل. يُعطي الجدول 2.12.4 معدلات إشعال الحرارة المعتادة المتوقعة من الأنابيب الفولاذية غير المعزولة في الهواء الساكن عند 20 درجة مئوية.
الجدول 2.12.4 إشعال الحرارة من الأنابيب الفولاذية غير المعزولة المكشوفة بحرية في الهواء عند 20 درجة مئوية (واط/م)
| فرق درجة الحرارة بين البخار والهواء درجة مئوية | حجم الأنبوب (مم) | |||||||||
| 15 | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 150 | |
| 50 | 56 | 68 | 82 | 100 | 113 | 136 | 168 | 191 | 241 | 332 |
| 60 | 69 | 85 | 102 | 125 | 140 | 170 | 208 | 238 | 298 | 412 |
| 70 | 84 | 102 | 124 | 152 | 170 | 206 | 252 | 289 | 360 | 500 |
| 80 | 100 | 122 | 148 | 180 | 202 | 245 | 299 | 343 | 428 | 594 |
| 100 | 135 | 164 | 199 | 243 | 272 | 330 | 403 | 464 | 577 | 804 |
| 120 | 173 | 210 | 256 | 313 | 351 | 426 | 522 | 600 | 746 | 1 042 |
| 140 | 216 | 262 | 319 | 391 | 439 | 533 | 653 | 751 | 936 | 1 308 |
| 160 | 263 | 319 | 389 | 476 | 535 | 651 | 799 | 918 | 1 145 | 1 603 |
| 180 | 313 | 381 | 464 | 569 | 640 | 780 | 958 | 1 100 | 1 374 | 1 925 |
| 200 | 368 | 448 | 546 | 670 | 754 | 919 | 1 131 | 1 297 | 1 623 | 2 276 |
| 220 | 427 | 520 | 634 | 778 | 877 | 1 069 | 1 318 | 1 510 | 1 892 | 2 655 |
عادةً ما تكون خطوط التوزيع الرئيسية معزولة، ومن الواضح أن ذلك ميزة إذا كانت الفلنجات وغيرها من معدات خط الأنابيب معزولة أيضًا. إذا كان الخط الرئيسي مفلنجًا، فسيكون لكل زوج من الفلنجات مساحة سطح تقريبًا مساوية لـ 300 مم من الأنبوب بنفس الحجم.
يزداد معدل نقل الحرارة عندما يتعرض سطح نقل الحرارة لحركة هواء. في هذه الحالات، يجب مراعاة عوامل الضرب، كما هو موضح في الجدول 2.12.5. إذا تم تركيب أنابيب مُزعنفة أو مُموجة، يجب استخدام دائمًا أرقام الشركة المصنعة لإشعال الحرارة. بالمعنى اليومي، سرعات الهواء حتى 4 أو 5 م/ث (تقريبًا 10 ميل/ساعة) تمثل نسيمًا لطيفًا، بين 5 و10 م/ث (تقريبًا 10 - 20 ميل/ساعة) نسيمًا قويًا. سرعات قنوات الهواء المعتادة حوالي 3 م/ث، للمقارنة.
الجدول 2.12.5 الزيادة التقريبية في الإشعال بسبب حركة الهواء عبر الأنابيب ذات الإشعالية العالية
| سرعة الهواء (م/ث) | عامل الإشعال |
| 0 | 1 |
| 0.5 | 1 |
| 1 | 1.3 |
| 1.5 | 1.5 |
| 2 | 1.7 |
| 2.5 | 1.8 |
| 3 | 2 |
| 4 | 2.3 |
| 6 | 2.9 |
| 8 | 3.5 |
| 10 | 4 |
ملاحظة: من الصعب تحديد الأرقام الدقيقة، حيث تُشارك العديد من العوامل. عوامل الجدول 2.12.5 مُشتقة وتعطي مؤشرًا تقريبيًا لكثير يجب ضرب أرقام الجدول 2.12.4. الأنابيب المعرضة لحركة هواء حتى حوالي 1 م/ث يمكن اعتبارها في هواء ساكن، وتبقي خسائر الحرارة ثابتة نسبيًا حتى هذه النقطة. كدليل، الأنابيب المطلية سيكون لديها إشعالية عالية، والفولاذ المتأكسد إشعالية متوسطة، والفولاذ المقاوم للصدأ المصقول إشعالية منخفضة. سيعتمد تقليل خسائر الحرارة على نوع وسُمك مادة العزل المستخدمة، وعلى حالتها العامة. لأغلب الأغراض العملية، سيخفض عزل خطوط البخار إشعال الحرارة في الجدول 2.12.4 بعوامل العزل (f) المعروضة في الجدول 2.12.6. لاحظ أن هذه العوامل هي قيم اسمية فقط. للحسابات المحددة، استشر الشركة المصنعة للعزل.
الجدول 2.12.6 عوامل العزل ‘f’
| حجم الأنبوب الاسمي (مم) | ضغط البخار | |||
| 1 بار | 5 بار | 15 بار | 20 بار | |
| عزل 50 مم | ||||
| 15 | 0.16 | 0.14 | 0.13 | 0.12 |
| 20 | 0.15 | 0.13 | 0.12 | 0.11 |
| 25 | 0.14 | 0.12 | 0.11 | 0.1 |
| 32 | 0.13 | 0.11 | 0.1 | 0.1 |
| 40 | 0.12 | 0.11 | 0.1 | 0.09 |
| 50 | 0.12 | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
| 65 | 0.11 | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
| 80 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 0.07 |
| 100 | 0.1 | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
| 150 | 0.1 | 0.09 | 0.07 | 0.07 |
| عزل 75 مم | ||||
| 15 | 0.14 | 0.13 | 0.12 | 0.11 |
| 20 | 0.13 | 0.11 | 0.11 | 0.1 |
| 25 | 0.13 | 0.11 | 0.1 | 0.09 |
| 32 | 0.11 | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
| 40 | 0.1 | 0.09 | 0.09 | 0.08 |
| 50 | 0.1 | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
| 65 | 0.1 | 0.08 | 0.08 | 0.07 |
| 80 | 0.09 | 0.08 | 0.07 | 0.07 |
| 100 | 0.08 | 0.08 | 0.07 | 0.06 |
| 150 | 0.08 | 0.07 | 0.07 | 0.06 |
| عزل 100 مم | ||||
| 15 | 0.12 | 0.11 | 0.1 | 0.08 |
| 20 | 0.11 | 0.1 | 0.09 | 0.07 |
| 25 | 0.1 | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
| 32 | 0.1 | 0.08 | 0.08 | 0.06 |
| 40 | 0.09 | 0.08 | 0.08 | 0.06 |
| 50 | 0.08 | 0.08 | 0.07 | 0.06 |
| 65 | 0.08 | 0.07 | 0.06 | 0.05 |
| 80 | 0.07 | 0.07 | 0.06 | 0.05 |
| 100 | 0.07 | 0.07 | 0.06 | 0.05 |
| 150 | 0.07 | 0.06 | 0.05 | 0.04 |
يمكن التعبير عن فقد الحرارة من الخطوط المعزولة كما يلي في المعادلة 2.12.2:
حدد الطول L: بافتراض بدل يعادل 0.3 م لكل زوج فلنجات، و1.2 م لكل صمام إيقاف، يكون الطول الفعال الإجمالي (L) لخط البخار الرئيسي في هذا المثال:
حدد معدل إشعال الحرارة Q̇: درجة حرارة البخار عند 14.0 بار هي 198 درجة مئوية ومع درجة حرارة البيئة 20 درجة مئوية، يكون فرق درجة الحرارة 178 درجة مئوية.
من الجدول 2.12.4: فقد الحرارة لأنبوب 100 مم ≈ 1 374 واط/م حدد عامل العزل f: عامل العزل لعزل 75 مم على أنبوب 100 مم عند 14 بار (من الجدول 2.12.6) هو تقريبًا 0.07.
كما يمكن ملاحظة من هذا المثال، حمل الإسخان البالغ 161 كجم/ساعة (انظر المثال 2.12.1، الجزء 1) أكبر بكثير من حمل التشغيل البالغ 18.3 كجم/ساعة، وبشكل عام، المصاعد البخارية المُحددة الحجم لعملية الإسخان ستُلبي تلقائيًا حمل التشغيل.
إذا كان خط البخار أعلاه غير معزول أو كان العزل تالفًا، سيكون حمل التشغيل أكبر بحوالي أربعة عشر مرة. مع أنبوب غير معزول، أو أنبوب معزول بشكل ضعيف، قارن دائمًا بين أحمال التشغيل والإسخان. يجب استخدام الحمل الأكبر لتحديد حجم المصاعد البخارية، كما هو موضح أعلاه. من المثالي أن تُحسّن جودة العزل. ملاحظة: عند حساب خسائر الإسخان، من الحكمة مراعاة مواصفات الأنبوب الصحيحة، حيث يمكن أن تختلف أوزان الأنابيب بين معايير الأنابيب المختلفة.
تسخين الهواء
يتغير كثافة الهواء وحرارته النوعية قليلاً مع درجة الحرارة. لأغلب الأغراض العملية، عند تسخين الهواء لتطبيقات التدفئة والتهوية والتكييف والمعالجة بالطريقة المذكورة أدناه، يمكن استخدام رقم اسمى يبلغ 1.3 كجول/م³ درجة مئوية للحرارة النوعية و1.3 كجم/م3 للكثافة.
أنابيب تسخين الهواء
أنابيب تسخين الهواء
يُحتاج إلى هواء مُسخن لتطبيقات عديدة تشمل:
- تسخين الفضاءات.
- التهوية.
- تطبيقات المعالجة.
غالبًا ما تتكون المعدات المطلوبة من مصفوفة أنابيب مملوءة بالبخار، مُثبتة عبر تيار هوائي. أثناء مرور الهواء فوق الأنابيب، تُنقل الحرارة من البخار إلى الهواء. في كثير من الأحيان، لتقليل حجم وكتلة المعدات، والسماح بتثبيتها في مساحات محدودة مع تقليل أعمال الدعم، والحد من التكلفة، يُزداد معدل نقل الحرارة من الأنابيب إلى الهواء بإضافة زعانف إلى الجدار الخارجي للأنبوب.
هذا له تأثير زيادة مساحة نقل الحرارة المتاحة، وبالتالي تقليل كمية الأنابيب المطلوبة. يُظهر الشكل 2.12.2 مثالًا على أنبوب مُزعنف. بشكل عام، يمكن تقسيم مُدفئات الهواء إلى فئتين:
- مُدفئات الوحدة.
- بطاريات مُدفئات الهواء.
مُدفئات الوحدة
مُدفئات الوحدة
تتكون من بطارية مُدفئ ومروحة في غلاف واحد مدمج (الشكل 2.12.3). يتكثف الوسط الأولي (البخار) في بطارية المُدفئ، ويُسخن الهواء أثناء مروره عبر اللفائف ويُنفخ في الفضاء. يمكن ترتيب مُدفئات الوحدة لتكون لها قنوات مدخل هواء طازج، لكنها في أغلب الأحيان تعمل مع هواء مُعاد تدويره.
يمكن تفريغ الهواء الدافئ عموديًا للأسفل أو أفقيًا. ضغط البخار وارتفاعات التثبيت ونوع التفريغ ودرجات الحرارة الخارجة كلها مترابطة ويجب الاستعانة ببيانات الشركة المصنعة قبل اختيار مُدفئ الوحدة. معظم الوحدات متوفرة مع مراوح منخفضة أو متوسطة أو عالية السرعة مما يؤثر على الإنتاج المُصنّف، ويجب مرة أخرى الاستعانة ببيانات الشركة المصنعة، حيث أن مستويات الضوضاء على السرعة العالية قد تكون غير مقبولة.
بطاريات مُدفئات الهواء
بطاريات مُدفئات الهواء
هي في الواقع نسخ أكبر وأكثر تعقيدًا من مُدفئات الوحدة، انظر الشكل 2.12.4. متوفرة بتكوينات عديدة تشمل المُثبتة على السقف، أو الأنواع الأفقية، وقد تتضمن أيضًا مروحة ومرشح. عادةً ما تكون مُدمجة في نظام قنوات هوائية.
- يمكن توفير مخارج قابلة للتعديل لتعديل نسبة الهواء الطازج إلى المُعاد تدويره.
- يمكن دمج عدد من بنوك التسخين لتوفير الحماية من الصقيع.
عادةً ما تُعطي الشركات المصنعة لمُدفئات الوحدة وبطاريات مُدفئات الهواء إنتاج مُدفئاتها بالكيلوواط عند ضغط تشغيل. من هذا، يمكن حساب معدل التكثف بقسمة الإخراج الحراري على إنتالبيا البخار عند هذا الضغط. ستكون النتيجة بالكجم/ثانية؛ الضرب بـ 3 600 (ثانية في الساعة) سيُعطي الحل بالكجم/ساعة.
هكذا، مُدفئ وحدة 44 كيلوواط يعمل عند 3.5 بار (hfg = 2 120 كجول/كجم من جداول البخار) سيتكثف:
ملاحظة: يُدرج الثابت 3 600 في الصيغة لإعطاء المعدل بالكجم/ساعة بدلاً من الكجم/ثانية. إذا لم تكن أرقام الشركة المصنعة متاحة ولكن المعروفة فيما يلي:
- معدل التدفق الحجمي للهواء المُسخن.
- ارتفاع درجة حرارة الهواء المُسخن.
- ضغط البخار في المُدفئ. فيمكن حساب معدل التكثف التقريبي باستخدام المعادلة 2.12.3:
ملاحظة: الثابت 3 600 يُعطي الحل بالكجم/ساعة بدلاً من الكجم/ثانية.
الأنابيب الأفقية المُجمّعة في لفائف بعدة صفوف من الأنابيب فوق بعضها البعض، والمعتمدة على الحمل الطبيعي، تصبح أقل فعالية مع زيادة عدد الأنابيب. عند حساب معدل التكثف لهذه اللفائف، يجب ضرب أرقام الجدول 2.12.5 بعوامل الإشعال في الجدول 2.12.7. الأنابيب المُسخنة المُثبتة عموديًا هي أيضًا أقل فعالية من الأنبية الأفقية. يمكن تحديد معدل التكثف لهذه الأنابيب بضرب أرقام الجدول 2.12.4 بعوامل الجدول 2.12.6. يمكن أيضًا استخدام الجدول 2.12.7 لإيجاد معدل التكثف في الأنبية الأفقية المستخدمة لتسخين الهواء الساكن. في هذه الحالة استخدم المعادلة 2.12.4:
تأثيرات معدل تدفق الهواء
تأثيرات معدل تدفق الهواء
عند استخدام مروحة لزيادة تدفق الهواء عبر لفائف الأنابيب، سيزداد معدل التكثف. أرقام إشعال الحرارة من الأنابيب الفولاذية المكشوفة (الجدول 2.12.4)، يمكن استخدامها عند ضربها وفقًا لعوامل الجداول 2.12.5 و2.12.7 و2.12.8 حيث يناسب. إذا كان يُنظر في أنابيب مُزعنفة، يجب استخدام أرقام الشركة المصنعة لإشعال الحرارة في جميع الحالات.
مثال 2.12.2 احسب حمل البخار على بطارية مُدفئ هواء
مثال 2.12.2 احسب حمل البخار على بطارية مُدفئ هواء
ترفع بطارية مُدفئ هواء درجة حرارة الهواء المتدفق بمعدل 2.3 م³/ث من 18 درجة مئوية إلى 82 درجة مئوية (ΔT = 64 درجة مئوية) مع بخار عند 3.0 بار في اللفائف.
