روش های برآورد مصرف بخار

طراحی بهینه سیستم بخار تا اندازه زیادی به تعیین دقیق مصرف بخار دارد بدین طریق، اندازه لوله ها بدرستی انتخاب شده و متعاقبا شیرآلات نظیر شیرهای کنترل، تقلیل فشار و تله های بخار بصورت دقیق انتخاب می شوند تا عملکرد ایده آل را داشته باشند. مصرف بخار به طرق مختلف قابل تعیین است:

 

*محاسبات: با استفاده از آنالیز حرارتی ومعادلات مربوط می توان مصرف بخار را تعیین نمود. اگر چه انتقال حرارت هنوز کاملا شناخته نشده است و ممکن است متغیرهای ناشناخته زیادی موجود باشد، ولی با استفاده از تجربیات و روابط موجود ، می توان با دقت کافی مصرف بخار را تعیین نمود.

 

* اندازه گیری: مصرف بخار با اندازه گیری مستقیم از طریق جریان سنج های بخار قابل سنجش است.به این طریق می توان با دقت نسبتا خوب، مصرف بخار سایت های موجود را تعیین نمود و بالطبع در مورد سایت های در حال طراحی یا غیرفعال قابل استفاده نیست.

 

*قدرت حرارتی: قدرت حرارتی غالبا در پلاک تجهیزات مختلف که توسط سازنده نصب می شود، برحسب Kw ذکر شده است ولی مصرف بخار بر حسب kg/hr به فشار بخار بستگی دارد. قدرت حرارتی نشان دهنده مقدار ایده آل طراحی بوده، ولی لزوما معادل قدرت واقعی عملی نیست.

 

محاسبات

انرژی موجود در بخار معمولا به دو منظوراستفاده می شود.

  • تغییر دما در محصول و در واقع ایجاد گرمایش.
  • تثبیت دمای محصول، هنگامی که حرارت توسط عوامل طبیعی یا طراحی اتلاف می گردد.

در هر فرآیند گرمایشی  ، با افزایش دمای فرآیند انرژی لازم کاهش یافته و از اختلاف دمای بین کویل گرمایی و فرآیند نیز کاسته می شود. بالعکس ، اتلافات حرارتی با افزایش دمای فرآیند افزایش یافته حرارت بیشتری از طریق لوله یا وسیله اتلاف می شود.

کل حرارت لازم در هر زمان برابر مجموع دو فاکتور فوق است.

در بسیاری از فرایندهای انتقال حرارت از معادله زیر جهت محاسبه گرمای لازم برای افزایش دمای مواد استفاده می شود.

معادله ۱

 

این معادله جهت محاسبه کل انرژی حرارتی استفاده می شود ، ولی به شکل فوق نمی تواند آهنگ انتقال حرارت را تعیین نماید.

انواع مختلف مبدل های حرارتی را از نظر آهنگ انتقال حرارت می توان به دو دسته دسته بندی نمود:

*بدون جریان:در این موارد ماده گرم شونده دارای جرم ثابت و غالبا محصور در یک منبع است.

* دارای جریان: در این مورد سیال گرم شونده با دبی مشخص در اطراف سطح انتقال حرارت جریان می یابد.

 

-بدون جریان ثانویه: همانطور که گفته شد سیال فرایند با جرم ثابت درون مخزن نگاه داشته می شود. یک کویل بخار داخل مخزن یا ژاکت بخار در اطراف آن سطح انتقال حرارت را تشکیل می دهد.منابع ذخیره آبگرم مصرفی(شکل۱ ، ۶ ، ۲) یا تانک های گرم کننده روغن و سوخت از مثال های این مورد هستند. در برخی موارد نیز از بخار جهت گرمایش مواد جامد استفاده می شود (مانند پرس های پخت لاستیک ، اتوهای بخار ، اتوکلاو و....).

در برخی از فرایندهای بدون جریان، زمان گرمایش اهمیت زیادی ندارد ولی در مواردی نیز این زمان اهمیت زیاد داشته و کیفیت تولید یا فرایند ارتباط مستقیم با این زمان دارد.

دو فرایند گرمایش بدون جریان را در نظر بگیرید که به میزان برابری از انرژی نیازمندند ولی زمان گرمایش آنها متفاوت است که در حقیقت بمنزله متفاوت بودن آهنگ انتقال حرارت بوده توسط معادله زیر محاسبه می شود:

معادله ۲

 

مثال۱: مقدار آهنگ انتقال حرارت در حالت عدم وجود جریان: حجمی از روغن از دمای حجمی از روغن از دمای ۳۵۰c به دمای ۱۲۰۰c در زمان ۱۰ دقیقه گرم می شود.حجم روغن برابر۳۵ litr وزن مخصوص آن۰.۹ وظرفیت حرارتی ویژه آن برابر۱.۹Kj/Kg۰c است.

معادله ۲ درمورد هر ماده ای که در حال گرم شدن است قابل استفاده بوده (جامد ، مایع ، گاز) ولی شامل حالت تغییر فاز نمی شود. مقدار حرارتی که بخار در هنگام کندانس شدن آزاد می نماید از معادله ۳ محاسبه می شود:

معادله ۳

 

و با جایگزین کردن دبی خروجی می توان به آهنگ انتقال حرارت دست یافت:

معادله ۴

 

با فرض راندمان ۱۰۰% مقدار حرارت تامین شده توسط بخار برابر حرارت اخذ شده فرایند است وبنابراین خواهیم داشت:

معادله ۵

 

تمرین ۱: یک تانک کحتوی ۴۰۰kg گازوئیل باید از دمای ۱۰۰c تا دمای۴۰۰c در مدت ۲۰ دقیقه(۱۲۰۰ثانیه) وبا بخار با فشار۴barg گرم شود.با فرض ظرفیت گرمایی ویژه۲kj/kg۰c =hfg جهت بخار وعایق بندی کامل مخزن ، مقدار بخار لازم را محاسبه نمائید. مسلم است که با افزایش زمان گرمایش ، مصرف بخار واندازه شیرآلات کاهش خواهد یافت.

 

-مبدل های دارای جریان ثانویه: مبدلهای حرارتی بخار به آب جزء نمونه های  دارای جریان ثانویه هستند.شکل۲ ، ۶ ، ۲ مبدل حرارتی جهت گرمایش آب با فرایند صنعتی را نشان میدهد.مثال دیگری از این کاربرد کویل های بخار در هوا رسانه ها هستند که در آنها بخار انرژی خود را به هوای در حال عبور پس می دهد.

شکل ۱:مبدل حرارتی بخار به آب

 

شکل۲ نشان دهنده نمودار نمونه مبدل حرارتی با جریان ثابت ثانویه می باشد.دمای بخار در طی فرایند ثابت بوده وآب از دمایT۱ بهT۲گرم می شود.

شکل ۲: گرمایش آب در مبذل حرارتی

 

درحالی که جریان ثانویه ثابت باشد ، فلوی حرارتی لازم(Q) از معادله زیر محاسبه می شود:

معادله ۶

 

با تشکیل معادله بالانس حرارتی بین سیکل بخار وسیکل آب:

معادله ۷

 

بنابراین مصرف بخار در کاربدهای اینچنین برابر است با:

معادله ۸

معادله ۹

 

مثال ۲: از بخار اشباع خشک جهت گرم نمودن آب با دبی۱.۵  ۱/s از دمای۱۰۰cبه۶۰۰c استفاده می شود: دبی جرمی آب نیز برابر خواهد بود با ۱.۵ kg ۱/s وبا استفاده از معادله۷ ، ۶ ، ۲:هنگام راه اندازی سیستم ، دمای T۱ممکن است کمتر از دمای مورد انتظار باشد که حرارت بیشتری را طلب می نماید.

 

در صورتی که زمان گرمایش اهمیت داشته باشد ،مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود تا این زمان را برآورده سازد.با این وجود در اکثر کاربردهای مبدل حرارتی ، گرمایش اولیه نادیده گرفته می شود چرا که راه اندازی سیستم زیاد اتفاق نیفتاده وغالبا زمان راه اندازی نیز اهمیت چندانی ندارد وبنابراین مبنای محاسبات در زمان کارکرد عادی سیستم می باشد. همچنین معمولا ائتلافات حرارتی بعلت عایقکاری نیز نادیده انگاشته می شودولی اگر این ائتلافات زیاد باشند باید در محاسبات دیده شوند.

 

-انرژی گرم کردن سیستم واتلافات

در هر فرایند گرمایی ، با افزایش دمای سیال از مقدار حرارت لازم جهت گرم نمودن سیستم کاسته می شود.(warm-up).از طرفی ، با افزایش دما ، ائتلافات حرارتی از مخزن ویا لوله ها به محیط اطراف بیشتر خواهد شد.انرژی حرارتی لازم در هر زمان برابر مجموع این دو مقدار خواهدبود که باید در حالت راه اندازی وگرمایش سیستم و از طرفی در حالت بار کامل محاسبه شوند تا بتوان نسبت به اندازه گیری صحیح سیستم بخار اقدام نمود.اگر سطح گرمایشی لازم فقط با در نظر گرفتن حرارت راه اندازی سیستم در نظر گرفته شود ، ممکن است فرایند به دمای طراحی خود نرسد.(بعلت اتلافات).

 

در برخی موارد مانند مخازن بزرگ ذخیره می توان دمای متوسط سوخت را کمتر از دمای لازم جهت پمپاژ انتخاب نمود(که در نتیجه اتلافات سطحی کاهش خواهد یافت) و در عوض از کویل حرارتی مستقر در خروجی مخزن به طرف پمپ استفاده نمود.

 

هیتر مذکور تنها سیال مجاور خود را به درون کشیده وگرم می نماید.اندازه هیتر به دمای متوسط سیال ، دمای مورد نیاز پمپاژ وگذر جریان آن بستگی دارد.

شکل ۳: نصب هیتر در جریان خروجی

نام منبع: 
پرتال تخصصی مشهد بویلر