Άμεση έγχυση ατμού σε δεξαμενές: υπολογισμός, sparge pipes και injectors

Η άμεση έγχυση ατμού χρησιμοποιεί τον ίδιο τον ατμό ως θερμαντικό μέσο και ταυτόχρονα ως μέρος του τελικού υγρού. Ο ατμός εισάγεται μέσα σε ψυχρότερο υγρό με τη μορφή φυσαλίδων, συμπυκνώνεται και μεταφέρει τη θερμότητά του απευθείας στο περιβάλλον υγρό.

Η μέθοδος είναι κατάλληλη μόνο όταν η αραίωση του προϊόντος και η αύξηση της συνολικής μάζας του είναι αποδεκτές. Για αυτό εφαρμόζεται κυρίως στη θέρμανση νερού και σε δοχεία νερού τροφοδοσίας λεβήτων.

Πώς μεταφέρεται η θερμότητα

Καθώς η φυσαλίδα συμπυκνώνεται, αποδίδεται η λανθάνουσα θερμότητα του ατμού και μέρος της αισθητής θερμότητας του συμπυκνώματος. Το συμπύκνωμα παραμένει μέσα στη δεξαμενή.

Υπολογισμός κατανάλωσης ατμού

ṁ_s = Q̇ / (h_g − T_f · c_p)

• ṁ_s: μέση παροχή ατμού, kg/s
• Q̇: μέσο θερμικό φορτίο, kW
• h_g: συνολική ενθαλπία ατμού πριν από τη βαλβίδα ελέγχου, kJ/kg
• T_f: τελική θερμοκρασία νερού
• c_p: ειδική θερμοχωρητικότητα νερού

Αύξηση μάζας και στάθμης

Τελική μάζα = αρχική μάζα + μάζα εγχυόμενου ατμού

Η μεταβολή πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον διαθέσιμο όγκο της δεξαμενής και στη διάταξη υπερχείλισης.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη συμπύκνωση των φυσαλίδων

Μέγεθος φυσαλίδων

Οι μικρές φυσαλίδες έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου και συμπυκνώνονται ευκολότερα.

Διαφορική πίεση

Χαμηλότερη διαφορική πίεση περιορίζει τη διαστολή και την ταχύτητα των φυσαλίδων.

Ύψος υγρού

Μεγαλύτερη στήλη υγρού δημιουργεί αντίθλιψη και παρέχει μεγαλύτερη διαδρομή για συμπύκνωση. Για νερό, 1 m στήλης αντιστοιχεί περίπου σε 0,1 bar.

Θερμοκρασία υγρού

Όσο μειώνεται η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ ατμού και υγρού, μειώνεται και ο ρυθμός συμπύκνωσης.

Σωλήνες διάχυσης ατμού – sparge pipes

Ο sparge pipe είναι κλειστός στο άκρο σωλήνας με μικρές οπές κατά μήκος του. Είναι απλός και οικονομικός, αλλά σε υψηλότερες πιέσεις μπορεί να δημιουργήσει θόρυβο και κραδασμούς.

Η χρήση του συνιστάται περίπου έως 2 bar(g).

Προσανατολισμός οπών

Οι οπές τοποθετούνται πρακτικά στις θέσεις περίπου 4 και 8 η ώρα. Δεν πρέπει να κατευθύνονται απευθείας προς κοντινό πυθμένα ή τοίχωμα.

Ταχύτητα μέσα στον sparge pipe

• σωλήνας μικρότερος από 1 m: περίπου 15 m/s,
• μεγαλύτερος σωλήνας: έως περίπου 25 m/s.

Παράδειγμα θέρμανσης δεξαμενής

• νερό: 12.000 kg
• 8°C → 60°C
• χρόνος: 2 h
• πίεση ατμού πριν από τη βαλβίδα: 2,6 bar(g)
• h_g = 2.733,89 kJ/kg

Θερμικό φορτίο νερού: 363 kW

Παροχή για θέρμανση νερού: 0,146 kg/s

Παροχή για θέρμανση δοχείου: 0,0052 kg/s

Παροχή για θερμικές απώλειες: 0,0071 kg/s

Συνολική μέση παροχή ≈ 570–572 kg/h

Διαστασιολόγηση sparge pipe

Η πίεση στον σωλήνα εκτιμάται στο συγκεκριμένο παράδειγμα περίπου σε 2,1 bar(a), δηλαδή 1,1 bar(g).

Με παροχή 570 kg/h και ταχύτητα 25 m/s, η απαιτούμενη εσωτερική διάμετρος είναι 82,6 mm και επιλέγεται DN100.

Θέση, οπές και απόσταση

• μήκος σωλήνα: περίπου 2,5 m,
• ύψος πάνω από πυθμένα: τουλάχιστον 0,33 m,
• στήλη νερού πάνω από σωλήνα: περίπου 1 m,
• διαφορική πίεση οπών: περίπου 1 bar,
• διάμετρος οπής: 4 mm,
• παροχή ανά οπή: περίπου 8 kg/h,
• αριθμός οπών: περίπου 72,
• απόσταση κέντρων: περίπου 70 mm.

Αύξηση τελικής μάζας

Με 572 kg/h για 2 h προστίθενται 1.144 kg νερού. Η μάζα αυξάνεται από 12.000 σε 13.144 kg και σε δεξαμενή 3 × 3 m η στάθμη αυξάνεται περίπου 127 mm.

Εγχυτήρες ατμού

Ο steam injector αναρροφά ψυχρότερο υγρό και το αναμιγνύει με τον ατμό μέσα στο σώμα του. Η τυρβώδης ανάμιξη δημιουργεί κυκλοφορία, περιορίζει τη στρωμάτωση και βοηθά στην ομοιόμορφη θερμοκρασία.

Η τροφοδοσία ατμού πρέπει να συνδυάζεται με κατάλληλες αναλογικές βαλβίδες ελέγχου και φίλτρα σωληνώσεων.

Θόρυβος και κραδασμοί

Κανονική λειτουργία

Πάνω από περίπου 2 bar(g) μπορεί να υπάρχει ήπιος συνεχής ήχος. Η έξοδος του injector είναι περίπου 10°C θερμότερη από το νερό που αναρροφά.

Ατελής συμπύκνωση

Σε θερμοκρασίες υγρού συνήθως πάνω από 90°C μπορεί να εμφανιστούν κρουστικοί ήχοι, κραδασμοί και διαφυγή ατμού.

Πολύ χαμηλή παροχή

Κάτω από περίπου 1,5 bar(g) μπορεί να εμφανιστεί crackling και συμπεριφορά τύπου σπηλαίωσης.

Παράδειγμα επιλογής injectors

Για απαίτηση περίπου 572 kg/h και πίεση 1 bar(g), injector δυναμικότητας 400 kg/h δεν επαρκεί μόνος του:

572 / 400 = 1,43 → απαιτούνται 2 injectors

Εναλλακτικός υπολογισμός με θερμικό ισοζύγιο

m · h₁ + m_s · h_g = (m + m_s) · h₂

Για τα ίδια δεδομένα, η μέθοδος δίνει ξανά συνολική μέση απαίτηση περίπου 570 kg/h.

Sparge pipe ή steam injector;

Συμπέρασμα

Η άμεση έγχυση ατμού είναι κατάλληλη όταν η αραίωση και η αύξηση μάζας είναι αποδεκτές. Η σωστή λειτουργία εξαρτάται από το μέγεθος φυσαλίδων, τη διαφορική πίεση, το βάθος υγρού, τη θερμοκρασία, τη θέση του εξοπλισμού και τον έλεγχο της παροχής ατμού.

Ο sparge pipe αποτελεί απλή λύση χαμηλής πίεσης, ενώ ο steam injector προσφέρει εντονότερη ανάμιξη, καλύτερη κυκλοφορία και δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλότερες πιέσεις.

Συχνές Ερωτήσεις

Πότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεση έγχυση ατμού;

Όταν η ανάμιξη του συμπυκνώματος με το προϊόν και η αραίωση είναι αποδεκτές.

Γιατί είναι προτιμότερες οι μικρές φυσαλίδες;

Επειδή έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου και συμπυκνώνονται ευκολότερα.

Πώς επηρεάζει το βάθος του νερού;

Αυξάνει την αντίθλιψη και τον διαθέσιμο χρόνο συμπύκνωσης.

Πόση πίεση συνιστάται για sparge pipe;

Περίπου έως 2 bar(g) για τη συγκεκριμένη απλή διάταξη.

Γιατί αυξάνεται η στάθμη;

Επειδή ο εγχυόμενος ατμός συμπυκνώνεται και παραμένει ως νερό.

Τι πλεονέκτημα έχει ο steam injector;

Ενισχύει την ανάμιξη και την κυκλοφορία και περιορίζει τη θερμοκρασιακή στρωμάτωση.

Τι δείχνει crackling στον injector;

Μπορεί να υποδηλώνει πολύ χαμηλή παροχή ή πίεση και ατελή συμπύκνωση.