Κατανάλωση ατμού σε σωληνώσεις και αερόθερμα: προθέρμανση, απώλειες και φορτία

Ο ατμός που εισέρχεται σε μία ψυχρή σωλήνωση αρχίζει να συμπυκνώνεται πάνω στο εσωτερικό τοίχωμα. Κατά την εκκίνηση η μεταλλική μάζα της γραμμής πρέπει να θερμανθεί μέχρι τη θερμοκρασία λειτουργίας, ενώ μετά την προθέρμανση παραμένει ένα μικρότερο συνεχές φορτίο λόγω θερμικών απωλειών.

Η διάκριση μεταξύ φορτίου προθέρμανσης και φορτίου λειτουργίας είναι βασική για την εκτίμηση κατανάλωσης ατμού, τη διαστασιολόγηση αποστράγγισης και την αξιολόγηση της μόνωσης.

Φορτίο προθέρμανσης γραμμής ατμού

ṁ_s = 60 · W · (T_s − T_a) · c_p / (h_fg · t)

• ṁ_s: μέση παροχή συμπυκνώματος, kg/h
• W: μάζα σωλήνων και εξαρτημάτων, kg
• T_s: θερμοκρασία ατμού
• T_a: θερμοκρασία εκκίνησης
• c_p: ειδική θερμοχωρητικότητα υλικού
• h_fg: ενθαλπία εξάτμισης
• t: χρόνος προθέρμανσης, min

Γιατί προτιμάται αργή προθέρμανση

Μεγαλύτερος χρόνος προθέρμανσης μειώνει το στιγμιαίο φορτίο, τις θερμικές και μηχανικές τάσεις και την πιθανότητα διαρροών.

Ειδική θερμοχωρητικότητα υλικών

Παράδειγμα προθέρμανσης

• 100 m σωλήνα DN100 ανθρακούχου χάλυβα
• 9 ζεύγη φλαντζών PN40
• 1 βάνα απομόνωσης
• 20°C αρχική θερμοκρασία
• 14 bar(g) ατμός, 198°C
• h_fg = 1.947 kJ/kg
• 30 min προθέρμανση

Συνολική μεταλλική μάζα: 1.798 kg

Μέσο φορτίο προθέρμανσης: 161 kg/h

Ατμοπαγίδες κατά την προθέρμανση

Η εκκίνηση είναι συνήθως η δυσμενέστερη κατάσταση για τις ατμοπαγίδες και τον εξοπλισμό αποστράγγισης. Στο συγκεκριμένο υπολογιστικό πλαίσιο το φορτίο προθέρμανσης διπλασιάζεται για την επιλογή ατμοπαγίδας και κατανέμεται στον αριθμό των σημείων αποστράγγισης.

Φορτίο λειτουργίας

Μετά την προθέρμανση, η συμπύκνωση οφείλεται στις συνεχιζόμενες θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον.

Επίδραση κίνησης αέρα

Επίδραση μόνωσης

Για DN100 και πίεση περίπου 15 bar(g), ενδεικτικοί συντελεστές μόνωσης είναι:

• 50 mm: f ≈ 0,08
• 75 mm: f ≈ 0,07
• 100 mm: f ≈ 0,06

Υπολογισμός συνεχούς φορτίου

ṁ_s = 3,6 · Q · L · f / h_fg

Στο παράδειγμα, ενεργό μήκος 103 m, απώλεια γυμνού DN100 περίπου 1.374 W/m και f ≈ 0,07 δίνουν:

φορτίο λειτουργίας ≈ 18,3 kg/h

Χωρίς αποτελεσματική μόνωση, το φορτίο λειτουργίας του παραδείγματος θα ήταν περίπου 14 φορές μεγαλύτερο.

Θέρμανση αέρα με ατμό

Σε unit heaters και air heater batteries ο ατμός συμπυκνώνεται μέσα σε σωλήνες και η θερμότητα μεταφέρεται στον αέρα.

Για πρακτικούς υπολογισμούς χρησιμοποιείται περίπου 1,3 kJ/(m³·°C) ως ονομαστική θερμοχωρητικότητα αέρα.

Πτερυγιοφόροι σωλήνες

Τα πτερύγια αυξάνουν την εξωτερική επιφάνεια μετάδοσης θερμότητας και επιτρέπουν μικρότερο και πιο συμπαγή εξοπλισμό. Για πτερυγιοφόρα στοιχεία πρέπει να χρησιμοποιούνται τα πραγματικά στοιχεία απόδοσης του κατασκευαστή.

Unit heaters

Συνδυάζουν θερμαντικό στοιχείο και ανεμιστήρα σε ένα περίβλημα. Η απόδοση επηρεάζεται από την πίεση ατμού, την ταχύτητα ανεμιστήρα, τον τρόπο απόρριψης αέρα και τη θερμοκρασία εξόδου.

Air heater batteries

Οι συστοιχίες θέρμανσης ενσωματώνονται συνήθως σε αεραγωγούς και μπορούν να περιλαμβάνουν πολλαπλές σειρές, φίλτρα και ρυθμιζόμενη αναλογία νωπού/ανακυκλοφορούμενου αέρα.

Κατανάλωση από γνωστή θερμική ισχύ

ṁ_s = Q̇ · 3.600 / h_fg

Για 44 kW και ατμό 3,5 bar(g), h_fg = 2.120 kJ/kg:

ṁ_s ≈ 75 kg/h

Κατανάλωση από παροχή αέρα

ṁ_s = 3.600 · V̇ · ΔT · c_v / h_fg

Παράδειγμα air heater battery

• παροχή αέρα: 2,3 m³/s
• 18°C → 82°C
• ΔT = 64°C
• ατμός 3 bar(g)
• h_fg = 2.133 kJ/kg

Κατανάλωση ατμού ≈ 323 kg/h

Επίδραση διάταξης σωλήνων

Σε φυσική συναγωγή, πολλές οριζόντιες σειρές μειώνουν σταδιακά την απόδοση κάθε πρόσθετης σειράς. Για δέκα σωλήνες ο ενδεικτικός συντελεστής πέφτει περίπου στο 0,63.

Με ανεμιστήρα, η αυξημένη ροή αέρα αυξάνει τη μεταφορά θερμότητας και το φορτίο συμπυκνώματος.

Έλεγχος και επιλογή εξοπλισμού

Ο σχεδιασμός πρέπει να συνδέει το πραγματικό θερμικό φορτίο με τις βαλβίδες ελέγχου, την αποστράγγιση, τη μόνωση και τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.

Συμπέρασμα

Η προθέρμανση και η κανονική λειτουργία είναι δύο διαφορετικές καταστάσεις. Σε καλά μονωμένες γραμμές η προθέρμανση συνήθως καθορίζει τη δυσμενέστερη παροχή συμπυκνώματος, ενώ η μόνωση καθορίζει την ενεργειακή απόδοση στη μόνιμη λειτουργία.

Στα αερόθερμα, η κατανάλωση ατμού μπορεί να προκύψει είτε από τα δηλωμένα kW είτε από την πραγματική παροχή και αύξηση θερμοκρασίας του αέρα.

Συχνές Ερωτήσεις

Γιατί είναι μεγαλύτερο το φορτίο προθέρμανσης;

Επειδή πρέπει να θερμανθεί ολόκληρη η μεταλλική μάζα της γραμμής.

Πώς μειώνεται;

Με μεγαλύτερο χρόνο προθέρμανσης.

Πώς επηρεάζει η μόνωση;

Μειώνει δραστικά τις συνεχείς θερμικές απώλειες.

Ποιο φορτίο χρησιμοποιείται για ατμοπαγίδες;

Το δυσμενέστερο από το φορτίο προθέρμανσης και λειτουργίας.

Πώς υπολογίζεται η κατανάλωση αερόθερμου από kW;

Με ṁ_s = Q̇·3.600/h_fg.

Γιατί χρησιμοποιούνται πτερύγια;

Για αύξηση της επιφάνειας μετάδοσης θερμότητας προς τον αέρα.