روش های اندازه گیری و برآورد مصرف بخار

سه روش کاربردی محاسبه مصرف بخار عبارتند از: روش استفاده ازجريان سنج، استفاده از پمپ های كندانس، روش جمع آوری آب كندانس

1-روش استفاده از جریان سنج

استفاده از جریان سنج های بخار بمنظور اندازه گیری مصرف بخار در تجهیزات در حال كار استفاده می شود. نتایج حاصل می تواند در آنالیزهای اقتصادی صرفه جوئی انرژی و یا مقایسه راندمان تجهیزات مختلف با یكدیگر بكار برده شود.

بخار در هر قسمت می تواند بصورت یكی از مواد اولیه تولید درنظرگرفته شده و هزینه خطوط مختلف تولید بصورت مجزا محاسبه شود. در انتخاب جریان سنج، فشار و دبی بخار و كالیبراسیون آن مهم می باشد.

شكل1، 7، 2: جریان سنج بخار

2-استفاده از پمپ های كندانس

روش دیگر با دقت كمتر استفاده از كنتور در روی بدنه پمپ های مكانیكی كندانس می باشد. این پمپ ها كه در بخش های بعدی به تفصیل توضیح داده می شوند، بصورت سیكلی كار كرده و با مشخص شدن تعداد پر وخالی شدن آن ها و در دست بودن حجم كندانس پمپ در هر مرحله، می توان مقدار كندانس كه در واقع همان بخار است را محاسبه نمود.

مونیتور الكتریكی كوچك قابل نصب در روی پمپ كه وضعیت كاری پمپ را نشان می دهد، بدین منظور استفاده شده كه حتی می تواند گزارش كاری را به سیستم مركزی كنترل ارسال نماید. اگر كلكتور ورودی به پمپ دارای شیر تخلیه به اتمسفر نیز باشد، درصد كمی از جریان بعلت بخار فلاش باید اضافه شود.

شكل2، 7، 2:پمپ كندانس مكانیكی

3-روش جمع آوری آب كندانس

مصرف بخار می تواند مستقیما با جمع آوری آب كندانس در داخل ظرف و در زمان مشخص محاسبه شود. درصورت وجود بخار فلاش كم، این روش با دقت خوب مصرف بخار را مشخص خواهد نمود و در هر دو حالت با جریان و بدون جریان ثانویه قابل استفاده است.

باید دقت نمود كه این روش در مواردی مانند تزریق بخار، رطوبت زنی و یا تجهیزات استرلیزه كننده كه امكان جمع آوری كندانس وجود ندارد، عملی نیست.

همانطور كه دیده می شود، ظرف جمع آوری كندانس با مقداری آب وزن شده وسپس با روشن نمودن سیستم و ورود بخار، كندانس خروجی در داخل ظرف وزیر سطح آب موجود (بعلت سرد كردن بخار فلاش) در مدت زمان معلوم تخلیه و ظرف كندانس مجددا توزین می شود. هنگام آزمایش باید موارد پیك مصرف و تغییرات ناخواسته مصرف مورد دقت قرار گیرد.

همچنین باید دقت نمود كه تنها كندانس حاصل از بخار محاسبه شود و در مثال بالا، می توان با استفاده از شیر تخلیه بعد از تله بخار، مصرف كننده، بخار را كاملا تخلیه كرده و در آخر آزمایش نیز آب باقی مانده در مصرف كننده را مجددا تخلیه وآنرا به ظرف جمع آوری كندانس اضافه نمود.

شكل3، 7، 2:اندازه گیری مصرف بخار

در صورت مجهز بودن سیستم برگشت كندانس به تانك و منبع كندانس وپمپ، می توان با خاموش كردن پمپ ها بصورت مقطعی و اندازه گیری تغییر سطح در آب مخزن، مقدار مصرف را مشخص نمود.

 

 

طراحی بهینه سیستم بخار تا اندازه زیادی به دقت برآورد مصرف بخار ارتباط دارد. با انجام دقیق محاسبات، اندازه لوله ها به درستی انتخاب شده و متعاقبا شیرآلات نظیر شیرهای كنترل، تقلیل فشار و تله های بخار بصورت دقیق انتخاب می شوند تا عملكرد ایده آل را داشته باشند. مصرف بخار بطرق مختلف قابل تعیین است:

محاسبات برآورد مصرف بخار

با استفاده از آنالیز حرارتی ومعادلات مربوط می توان مصرف بخار را تعیین نمود. اگر چه انتقال حرارت هنوز كاملا شناخته نشده است و ممكن است متغیرهای ناشناخته زیادی موجود باشد، ولی با استفاده از تجربیات و روابط موجود، می توان با دقت كافی محاسبات برآورد مصرف بخار را انجام داد.

اندازه گیری مصرف بخار

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 پلاك تجهیزات مختلف كه توسط سازنده نصب می شود، برحسب Kw ذكر 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 برآورد مصرف بخار

انرژی موجود در بخار معمولا به دو منظور استفاده می شود.

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

در هر فرآیند گرمایشی، با افزایش دمای فرآیند انرژی لازم كاهش یافته و از اختلاف دمای بین كویل گرمایی و فرآیند نیز كاسته می شود. بالعكس، اتلافات حرارتی با افزایش دمای فرآیند افزایش یافته حرارت بیشتری از طریق لوله یا وسیله اتلاف می شود.

كل حرارت لازم در هر زمان برابر مجموع دو فاكتور فوق است.

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

معادله4 ، 1 ، 2

این معادله جهت محاسبه كل انرژی حرارتی استفاده می شود، ولی به شكل 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 یك 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 كه گفته شد سیال فرایند با جرم ثابت درون مخزن نگاه داشته می شود. یك كویل بخار داخل مخزن یا ژاكت بخار در اطراف آن سطح انتقال حرارت را تشكیل می دهد.منابع ذخیره آبگرم مصرفی(شكل 1 ، 6 ، 2) یا تانك های گرم كننده 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 لاستیك، اتوهای بخار، اتوكلاو و….).

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

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

معادله 1 ، 6 ، 2:

مثال1 ، 6 ، 2:

مقدار آهنگ انتقال حرارت در حالت عدم وجود جریان:

حجمی از روغن از دمای حجمی از روغن از دمای 35⁰c به دمای 120⁰c در زمان 10 دقیقه گرم می شود. حجم روغن برابر 35 litr وزن مخصوص آن 0.9 و ظرفیت حرارتی ویژه آن برابر 1.9Kj/Kg⁰c است.

معادله 1، 6، 2 درمورد هر ماده ای كه در حال گرم شدن است قابل استفاده بوده (جامد، مایع، گاز) ولی شامل حالت تغییر فاز نمی شود.

مقدار حرارتی كه بخار در هنگام كندانس شدن آزاد می نماید از معادله 2، 6، 2محاسبه می شود:

معادله 2 ، 6 ، 2

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

معادله 3 ، 6 ، 2

با فرض راندمان 100% مقدار حرارت تامین شده توسط بخار برابر حرارت اخذ شده فرایند است و بنابراین خواهیم داشت:

معادله4 ، 6 ، 2

مثال2، 6، 2:

یك تانك محتوی 400kg گازوئیل باید از دمای 10⁰c تا دمای40⁰c در مدت 20 دقیقه (1200ثانیه) و با بخار با فشار 4barg گرم شود. با فرض ظرفیت گرمایی ویژه 2kj/kg⁰c =h_fg جهت بخار و عایق بندی كامل مخزن، مقدار بخار لازم را محاسبه نمائید:

مسلم است كه با افزایش زمان گرمایش، مصرف بخار واندازه شیرآلات كاهش خواهد یافت.

-مبدل های دارای جریان ثانویه:

مبدل های حرارتی بخار به آب جزء نمونه های دارای جریان ثانویه هستند. شكل 2، 6، 2 مبدل حرارتی جهت گرمایش آب با فرایند صنعتی را نشان میدهد. مثال دیگری از این كاربرد كویل های بخار در هوا رسانه ها هستند كه در آنها بخار انرژی خود را به هوای در حال عبور پس می دهد.

شكل 2، 6، 2:مبدل حرارتی بخار به آب – برآورد مصرف بخار

شكل3، 6، 2نشان دهنده نمودار نمونه مبدل حرارتی با جریان ثابت ثانویه می باشد. دمای بخار در طی فرایند ثابت بوده و آب از دمای T₁ به T₂ گرم می شود.

شكل3، 6، 2: گرمایش آب در مبدل حرارتی

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

معادله5 ، 6 ، 2

با تشكیل معادله بالانس حرارتی بین سیكل بخار و سیكل آب:

معادله6 ، 6 ، 2

بنابراین مصرف بخار در كاربردهای این چنین برابر است با:

معادله7 ، 6 ، 2

معادله8 ، 6 ، 2

مثال 3، 6، 2:

از بخار اشباع خشك جهت گرم نمودن آب با دبی 1.5 1/s از دمای 10⁰cبه 60⁰c استفاده می شود:

دبی جرمی آب نیز برابر خواهد بود با 1.5 kg 1/s و با استفاده از معادله7، 6، 2:هنگام راه اندازی سیستم، دمای T₁ممكن است كمتر از دمای مورد انتظار باشد كه حرارت بیشتری را طلب می نماید.

در صورتی كه زمان گرمایش اهمیت داشته باشد، مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود تا این زمان را برآورده سازد. با این وجود در اكثر كاربردهای مبدل حرارتی، گرمایش اولیه نادیده گرفته می شود چرا كه راه اندازی سیستم زیاد اتفاق نیفتاده و غالبا زمان راه اندازی نیز اهمیت چندانی ندارد و بنابراین مبنای محاسبات در زمان كاركرد عادی سیستم می باشد. همچنین معمولا ائتلافات حرارتی بعلت عایقكاری نیز نادیده انگاشته می شودولی اگر این ائتلافات زیاد باشند باید در محاسبات دیده شوند.

-انرژی گرم كردن سیستم و ائتلافات

در هر فرایند گرمایی، با افزایش دمای سیال از مقدار حرارت لازم جهت گرم نمودن سیستم كاسته می شود. (warm-up). از طرفی، با افزایش دما، ائتلافات حرارتی از مخزن و یا لوله ها به محیط اطراف بیشتر خواهد شد. انرژی حرارتی لازم در هر زمان برابر مجموع این دو مقدار خواهد بود كه باید در حالت راه اندازی و گرمایش سیستم و از طرفی در حالت بار كامل 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، ممكن است فرایند به دمای طراحی خود نرسد.(بعلت اتلافات).

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

هیتر مذكور تنها سیال مجاور خود را به درون كشیده و گرم می نماید. اندازه هیتر به دمای متوسط سیال، دمای مورد نیاز پمپاژ و گذر جریان آن بستگی دارد.

شكل4، 6، 2:نصب هیتر در جریان خروجی