Υπολογισμός θερμικού φορτίου δεξαμενών και κατανάλωσης ατμού

 

Η θέρμανση υγρών σε δεξαμενές αποτελεί βασική λειτουργία σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες. Ο υπολογισμός του απαιτούμενου θερμικού φορτίου δεν περιορίζεται στην ενέργεια που χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία του υγρού. Ανάλογα με την εφαρμογή, πρέπει να εξεταστούν επίσης η θέρμανση του ίδιου του δοχείου, οι απώλειες από τα τοιχώματα και την ελεύθερη επιφάνεια, καθώς και η ενέργεια που απορροφούν ψυχρά αντικείμενα ή νέα υλικά.

Η διάκριση μεταξύ φορτίου εκκίνησης και φορτίου κανονικής λειτουργίας είναι ιδιαίτερα σημαντική.

Κλειστές και ανοικτές δεξαμενές

Οι πλήρως κλειστές και καλά μονωμένες δεξαμενές έχουν συνήθως απλούστερο θερμικό ισοζύγιο. Οι ανοικτές δεξαμενές παρουσιάζουν επιπλέον απώλειες από την ελεύθερη επιφάνεια και μπορεί να δέχονται ψυχρά τεμάχια ή υλικά.

Ενδεικτικές εφαρμογές και θερμοκρασίες

Εφαρμογή Τυπική θερμοκρασία
Δοχείο νερού τροφοδοσίας λέβητα 80–90°C
Δεξαμενή ζεστού νερού 40–85°C
Δεξαμενή απολίπανσης 90–95°C
Μεταλλική κατεργασία / επικάλυψη 70–85°C
Απομάκρυνση σκουριάς ή οξειδίων 90–95°C
Θέρμανση ακατέργαστου χυμού 80–85°C
Φαρμακευτικά wash tanks περίπου 70°C
Θέρμανση καυστικού λαδιού περίπου 140°C
Βαρύ καύσιμο για άντληση 30–40°C

Συνιστώσες συνολικού θερμικού φορτίου

  1. Θέρμανση του υγρού.
  2. Θέρμανση του υλικού της δεξαμενής.
  3. Απώλειες από τις στερεές επιφάνειες.
  4. Απώλειες από την ελεύθερη επιφάνεια.
  5. Θέρμανση ψυχρών τεμαχίων ή υλικών που εισάγονται στη διεργασία.

Θέρμανση υγρού, δοχείου και τεμαχίων

Q̇ = m · cp · ΔT / t

Θερμικές απώλειες από τα τοιχώματα

Q̇ = U · A · ΔT

Αν ο πυθμένας βρίσκεται επίπεδα στο έδαφος και δεν εκτίθεται στον αέρα, η σχετική απώλεια μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα για τον συγκεκριμένο υπολογισμό.

Η επίδραση της μόνωσης

  • 25 mm μόνωσης: πολλαπλασιασμός U επί 0,2.
  • 50 mm μόνωσης: πολλαπλασιασμός U επί 0,1.

Η επίδραση της κίνησης του αέρα

Ταχύτητα αέρα Συντελεστής
0 m/s 1,0
0,5 m/s 1,3
1,0 m/s 1,7
2,0 m/s 2,4
3,0 m/s 3,1

Ενδεικτικοί συντελεστές για δεξαμενές λαδιού

Θέση ΔT Χωρίς μόνωση Με μόνωση
Προστατευμένη έως 10°C 6,8 1,7
Προστατευμένη έως 27°C 7,4 1,8
Προστατευμένη έως 38°C 8,0 2,0
Εκτεθειμένη έως 10°C 8,0 2,0
Εκτεθειμένη έως 27°C 8,5 2,1
Εκτεθειμένη έως 38°C 9,1 2,3
Υπόγεια οποιαδήποτε 6,8 —

Οι τιμές U είναι σε W/(m²·°C).

Απώλειες από την ελεύθερη επιφάνεια

Στις ανοικτές δεξαμενές οι απώλειες από την επιφάνεια του νερού μπορεί να είναι η σημαντικότερη συνιστώσα. Επηρεάζονται κυρίως από τη θερμοκρασία επιφάνειας, την ταχύτητα του αέρα και το εμβαδόν της επιφάνειας.

Παράδειγμα ανοικτής δεξαμενής

  • διαστάσεις 3 × 3 × 2 m,
  • πλήρωση 2/3,
  • 12.000 kg υγρού,
  • cp υγρού = 3,9 kJ/(kg·°C),
  • 8°C → 60°C σε 2 ώρες,
  • χαλύβδινη δεξαμενή πάχους 15 mm,
  • 500 kg χαλύβδινο τεμάχιο κάθε 20 λεπτά.

Φορτίο εκκίνησης

Συνιστώσα Φορτίο
Θέρμανση υγρού 338 kW
Θέρμανση δεξαμενής 14 kW
Απώλειες τοιχωμάτων 7 kW
Απώλειες επιφάνειας 9 kW
Σύνολο 368 kW

Φορτίο κανονικής λειτουργίας

Συνιστώσα Φορτίο
Απώλειες τοιχωμάτων 14 kW
Απώλειες επιφάνειας 27 kW
Θέρμανση εισερχόμενου τεμαχίου 11 kW
Σύνολο 52 kW

Γιατί το φορτίο εκκίνησης είναι μεγαλύτερο

Στην εκκίνηση πρέπει να θερμανθούν το υγρό και το ίδιο το δοχείο. Στη λειτουργία αυτή η θερμική ενέργεια έχει ήδη αποθηκευτεί και η απαίτηση αφορά κυρίως απώλειες και ψυχρά υλικά που εισέρχονται στη διεργασία.

Η διάρκεια της προθέρμανσης

Μεγαλύτερος διαθέσιμος χρόνος εκκίνησης μειώνει τον απαιτούμενο μέσο ρυθμό παροχής θερμότητας, εξομαλύνει τη ζήτηση από το λεβητοστάσιο και μειώνει τη στιγμιαία απαίτηση από το σύστημα ελέγχου.

Πρακτική διαδικασία υπολογισμού

  1. Καθορισμός γεωμετρίας και πλήρωσης.
  2. Προσδιορισμός μάζας και cp υγρού.
  3. Προσδιορισμός μάζας και cp δεξαμενής.
  4. Καθορισμός αρχικής και τελικής θερμοκρασίας.
  5. Καθορισμός χρόνου προθέρμανσης.
  6. Υπολογισμός φορτίου υγρού και δοχείου.
  7. Υπολογισμός απωλειών τοιχωμάτων.
  8. Υπολογισμός απωλειών ελεύθερης επιφάνειας.
  9. Προσθήκη φορτίων από εισερχόμενα ψυχρά υλικά.
  10. Ξεχωριστός έλεγχος εκκίνησης και λειτουργίας.

Μετά τον θερμικό υπολογισμό εξετάζεται ο τρόπος παροχής της θερμότητας, όπως εσωτερικό στοιχείο, jacket ή εναλλάκτης θερμότητας. Το πραγματικό φορτίο πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη στην επιλογή ρυθμιστικών βαλβίδων και εξοπλισμού ατμοπαγίδευσης και διαχείρισης συμπυκνωμάτων.

Συμπέρασμα

Το θερμικό φορτίο μιας δεξαμενής προκύπτει από το άθροισμα της ενέργειας θέρμανσης και των πραγματικών απωλειών. Η μόνωση, η κίνηση του αέρα, η ελεύθερη επιφάνεια και η εισαγωγή ψυχρών αντικειμένων μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απαίτηση.

Το φορτίο εκκίνησης και το φορτίο λειτουργίας πρέπει να υπολογίζονται ξεχωριστά, επειδή μπορεί να διαφέρουν κατά πολλές φορές.

Συχνές Ερωτήσεις

Ποιες είναι οι βασικές συνιστώσες του θερμικού φορτίου;

Θέρμανση υγρού, θέρμανση δοχείου, απώλειες στερεών επιφανειών, απώλειες ελεύθερης επιφάνειας και θέρμανση ψυχρών υλικών.

Πώς υπολογίζεται η θέρμανση του υγρού;

Με Q̇ = m·cp·ΔT/t.

Πώς υπολογίζονται οι απώλειες τοιχωμάτων;

Με Q̇ = U·A·ΔT.

Πώς επηρεάζει η μόνωση;

Μειώνει τον U και συνεπώς τις θερμικές απώλειες.

Γιατί οι ανοικτές δεξαμενές έχουν υψηλές απώλειες;

Επειδή υπάρχει άμεση απώλεια και από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού.

Γιατί η κίνηση του αέρα αυξάνει τις απώλειες;

Επειδή αυξάνει τη συναγωγική μεταφορά θερμότητας από τις εκτεθειμένες επιφάνειες.

Γιατί το φορτίο εκκίνησης είναι μεγαλύτερο;

Επειδή πρέπει να θερμανθούν από χαμηλή θερμοκρασία το υγρό και η δεξαμενή.

Πώς επηρεάζει ο χρόνος προθέρμανσης;

Μεγαλύτερος χρόνος μειώνει τον απαιτούμενο μέσο ρυθμό θερμότητας.

 
Posted in: Τεχνικοί οδηγοί