การใช้พลังงานของถังและอ่าง

การให้ความร้อนของเหลวในถังและอ่างเป็นข้อกำหนดสำคัญในอุตสาหกรรมกระบวนการ มีถังหลายประเภทที่มีการใช้งานต่างกัน การกำหนดความต้องการความร้อน การถ่ายเทความร้อน และการคำนวณการสูญเสียความร้อนล้วนถูกครอบคลุมในบทเรียนนี้

การให้ความร้อนของเหลวในถังเป็นข้อกำหนดสำคัญในอุตสาหกรรมกระบวนการ เช่น อุตสาหกรรมนม การบำบัดโลหะ และอุตสากรรรมสิ่งทอ น้ำอาจต้องให้ความร้อนเพื่อจัดหาน้ำร้อน หรือของเหลวอาจต้องให้ความร้อนเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิตเอง ไม่ว่าจะมีปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องหรือไม่ กระบวนการดังกล่าวอาจรวมถึงถังน้ำป้อนหม้อไอน้ำ ถังล้าง เครื่องระเหย กระทะต้ม หม้อทองแดง ท่อความร้อน และเครื่องต้มกลับ

ถังเปิดและถังปิดใช้สำหรับแอปพลิเคชันกระบวนการจำนวนมาก: ถังน้ำป้อนหม้อไอน้ำ

ถังน้ำป้อนหม้อไอน้ำเป็นหัวใจของระบบผลิตไอน้ำทุกเครื่อง ทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บน้ำควบแน่นที่ส่งกลับและน้ำเติมที่ผ่านการบำบัดสำหรับป้อนหม้อไอน้ำ เหตุผลหนึ่งในการให้ความร้อนน้ำคือการลดออกซิเจนที่เข้าสู่หม้อไอน้ำ โดยทฤษฎีมีออกซิเจน 0 ppm ที่ 100 °C ถังน้ำป้อนหม้อไอน้ำปกติทำงานที่ระหว่าง 80 °C ถึง 90 °C ถังน้ำร้อน

น้ำร้อนจำเป็นสำหรับกระบวนการหลายอย่างในอุตสาหกรรม มักให้ความร้อนในถังเปิดหรือปิดแบบง่ายที่ใช้ไอน้ำเป็นตัวกลางให้ความร้อน อุณหภูมิทำงานอาจอยู่ระหว่าง 40 °C ถึง 85 °C ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ถังล้างไขมัน

การล้างไขมันคือกระบวนการที่คราบไขมันและน้ำมันหล่อเย็นถูกกำจัดจากพื้นผิวโลหะ หลังการแปรรูปและก่อนประกอบผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ในถังล้างไขมัน วัสดุจะจุ่มลงในสารละลายที่ให้ความร้อนด้วยขดท่อจนถึงอุณหภูมิระหว่าง 90 °C ถึง 95 °C ถังบำบัดโลหะ

ถังบำบัดโลหะ ซึ่งบางครั้งเรียกว่าอ่าง ใช้ในกระบวนการต่างๆ หลายอย่าง:

• เพื่อขจัดตะกรันหรือสนิม
• เพื่อเคลือบโลหะบนพื้นผิว อุณหภูมิบำบัดโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 70 °C ถึง 85 °C ถังเก็บน้ำมัน

ถังเก็บจำเป็นสำหรับเก็บน้ำมันที่ไม่สามารถสูบได้ที่อุณหภูมิแวดล้อม เช่น น้ำมันหนักสำหรับหม้อไอน้ำ ที่อุณหภูมิแวดล้อม น้ำมันหนักมีความหนามากและต้องให้ความร้อนถึง 30 °C - 40 °C เพื่อลดความหนืดและอนุญาตให้สูบได้ ซึ่งหมายความว่าถังเก็บน้ำมันหนักทั้งหมดต้องมีระบบให้ความร้อนเพื่ออำนวยความสะดวกในการสูบ ถังให้ความร้อนที่ใช้ในอุตสาหกรรมกระบวนการ

ถังให้ความร้อนใช้ในอุตสาหกรรมกระบวนการหลายแห่ง ดูตาราง 2.9.1

ตาราง 2.9.1 อุตสาหกรรมกระบวนการที่ใช้ถังให้ความร้อน

ในบางแอปพลิเคชัน ของเหลวในกระบวนการอาจถึงอุณหภูมิทำงานแล้ว และความต้องการความร้อนเพียงอย่างเดียวอาจเกิดจากการสูญเสียจากพื้นผิวแข็งของผนัง และ/หรือการสูญเสียจากพื้นผิวของเหลว

Module นี้จะกล่าวถึงการคำนวณที่กำหนดความต้องการพลังงานของถัง: Module ถัดไปอีก 2 Module (2.10 และ 2.11) จะกล่าวถึงวิธีจัดหาพลังงานนี้ เมื่อกำหนดความต้องการความร้อนของถังหรืออ่างของเหลวกระบวนการ ความต้องการความร้อนทั้งหมดอาจประกอบด้วยบางส่วนหรือทั้งหมดขององค์ประกอบสำคัญหลายอย่าง:

1. ความร้อนที่ต้องการเพื่อยกอุณหภูมิของเหลวกระบวนการจากเย็นจนถึงอุณหภูมิทำงาน
2. ความร้อนที่ต้องการเพื่อยกวัสดุภาชนะจากเย็นจนถึงอุณหภูมิทำงาน
3. ความร้อนที่สูญเสียจากพื้นผิวแข็งของภาชนะไปยังบรรยากาศ
4. ความร้อนที่สูญเสียจากพื้นผิวของเหลวที่สัมผัสบรรยากาศ
5. ความร้อนที่ดูดซึมโดยวัตถุเย็นที่จุ่มลงในของเหลวกระบวนการ อย่างไรก็ตาม ในหลายแอปพลิเคชัน มีเพียงบางส่วนขององค์ประกอบข้างต้นที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น ในกรณีของถังเก็บน้ำมันขนาดใหญ่ที่ปิดสนิทและหุ้มฉนวนดี ความต้องการความร้อนทั้งหมดอาจประกอบด้วยเกือบทั้งหมดเป็นความร้อนที่ต้องการเพื่อยกอุณหภูมิของเหลว องค์ประกอบที่ 1 และ 2 พลังงานที่ต้องการเพื่อยกอุณหภูมิของเหลวและวัสดุภาชนะ และองค์ประกอบที่ 5 ความร้อนที่ดูดซึมโดยวัตถุเย็นที่จุ่มลงในของเหลวกระบวนการ สามารถหาได้โดยใช้สมการ 2.6.1 โดยทั่วไป ข้อมูลสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นการคำนวณความต้องการความร้อนจึงตรงไปตรงมาและแม่นยำ

องค์ประกอบที่ 3 และ 4 การสูญเสียความร้อนจากภาชนะและพื้นผิวของเหลว สามารถหาได้โดยใช้สมการ 2.5.3

อย่างไรก็ตาม การคำนวณการสูญเสียความร้อนซับซ้อนกว่ามาก และโดยทั่วไปต้องพึ่งพาข้อมูลเชิงประจักษ์ หรือตารางที่อิงจากสมมติฐานหลายอย่าง ดังนั้นการคำนวณการสูญเสียความร้อนจึงมีความแม่นยำน้อยกว่า

การสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวแข็งของภาชนะไปยังบรรยากาศ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและอากาศแวดล้อมเท่านั้น รูป 2.9.1 ให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมทั่วไปสำหรับการถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวเหล็กแบนที่ไม่มีฉนวนไปยังอากาศแวดล้อม หากฐานของถังไม่สัมผัสอากาศแวดล้อม แต่ตั้งอยู่ราบบนพื้น โดยทั่วไปถือว่าส่วนประกอบของการสูญเสียความร้อนนี้เล็กน้อยและละเลยได้อย่างปลอดภัย

• สำหรับฉนวน 25 มม. ค่า U ควรคูณด้วยตัวคูณ 0.2
• สำหรับฉนวน 50 มม. ค่า U ควรคูณด้วยตัวคูณ 0.1 ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมที่ให้ในรูป 2.9.1 เป็นสำหรับสภาวะ ‘อากาศสงบ’ เท่านั้น

ตาราง 2.9.2 แสดงตัวคูณที่ต้องใช้กับค่าเหล่านี้หากพิจารณาความเร็วลม อย่างไรก็ตาม หากพื้นผิวหุ้มฉนวนดี ความเร็วลมไม่น่าจะเพิ่มการสูญเสียความร้อนเกิน 10% แม้ในสภาวะเปิดโล่ง

ตาราง 2.9.2 ผลกระทบต่อการถ่ายเทความร้อนจากการเคลื่อนที่ของอากาศ

ความเร็วต่ำกว่า 1 ม./วิ. ถือว่าเป็นสภาวะที่กำบัง ขณะที่ 5 ม./วิ. อาจถือเป็นลมเบาๆ (ประมาณระดับ 3 ในมาตราโบฟอร์ต) 10 ม./วิ. ลมสดชื่น (โบฟอร์ต 5) และ 16 ม./วิ. ลมแรงปานกลาง (โบฟอร์ต 7)

สำหรับถังเก็บน้ำมันขนาดใหญ่ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมที่ระบุในตาราง 2.9.3 สามารถใช้ได้

ตาราง 2.9.3 ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมสำหรับถังน้ำมัน

ถังน้ำ: การสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวน้ำไปยังบรรยากาศ รูป 2.9.2 เชื่อมโยงการสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวน้ำกับความเร็วลมและอุณหภูมิพื้นผิว ในกราฟนี้ ‘อากาศสงบ’ ถือว่ามีความเร็ว 1 ม./วิ. ถังในตำแหน่งที่กำบังกลางแจ้งพิจารณาความเร็วประมาณ 4 ม./วิ. ขณะที่ถังในตำแหน่งเปิดโล่งกลางแจ้งพิจารณาความเร็วประมาณ 8 ม./วิ. กราฟนี้ให้การสูญเสียความร้อนในหน่วย W/m² แทนที่จะเป็นหน่วยของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม W/m² °C ซึ่งหมายความว่าค่านี้ต้องคูณด้วยพื้นที่ผิวเพื่อให้ได้อัตราการถ่ายเทความร้อน เนื่องจากอุณหภูมิระหว่างน้ำกับอากาศถูกพิจารณาแล้ว การสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวน้ำ ตามที่แสดงในรูป 2.9.2 ไม่ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากความชื้นของอากาศ ช่วงเต็มของความชื้นที่อาจพบในทางปฏิบัติถูกครอบคลุมด้วยความหนาของเส้นโค้ง อย่างไรก็ตาม กราฟพิจารณาการสูญเสียความร้อนที่อุณหภูมิอากาศ 15.6 °C และความชื้น 55% สภาวะที่ต่างจากนี้สามารถคำนวณได้จากศูนย์สนับสนุนวิศวกรรมบนเว็บไซต์ Spirax Sarco เพื่อกำหนดการสูญเสียความร้อนจากกราฟ อุณหภูมิพื้นผิวน้ำต้องเลือกจากสเกลด้านบน จากนั้นลากเส้นแนวตั้งลงมายังเส้นโค้งการสูญเสียความร้อน (ตัวหนา)

สำหรับถังในร่ม ลากเส้นแนวนอนจากจุดตัดไปยังสเกลซ้าย สำหรับถังกลางแจ้ง ลากเส้นแนวนอนไปทางซ้ายหรือขวาจนกระทั่งตัดตำแหน่งที่ต้องการ ไม่ว่าจะเป็นกำบังหรือเปิดโล่ง จากนั้นลากแนวตั้งลงจะแสดงการสูญเสียความร้อนบนสเกลล่าง ในกรณีส่วนใหญ่ การสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวของเหลวอาจเป็นองค์ประกอบที่มีนัยสำคัญที่สุด ที่ที่เป็นไปได้ การสูญเสียความร้อนสามารถจำกัดได้โดยครอบพื้นผิวของเหลวด้วยชั้นลูกปัดโพลีสไตรีนที่ให้ ‘ผ้าห่ม’ ฉนวน วิธีแก้ปัญหาใดๆ ในการลดการสูญเสียความร้อนยิ่งมีความสำคัญเมื่อถังอยู่กลางแจ้งในตำแหน่งเปิดโล่งตามที่แสดงในกราฟรูป 2.9.2

ตัวอย่าง 2.9.1

สำหรับถังที่แสดงในรูป 2.9.3 ให้กำหนด: ส่วนที่ 1. อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยที่ต้องการระหว่างเริ่มต้นเครื่อง ส่วนที่ 2. อัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุดที่ต้องการระหว่างการทำงาน

• ถังไม่หุ้มฉนวนและเปิดด้านบน ตั้งอยู่บนพื้นคอนกรีตภายในโรงงาน มีขนาดยาว 3 ม. กว้าง 3 ม. สูง 2 ม. พื้นที่ผิวทั้งหมดของถัง = 24 ม.² (ไม่รวมฐาน) ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากถัง/อากาศ U1 = 11 W/m² °C ถังเติมสารละลายกรดอ่อน 2/3 (cp = 3.9 kJ/kg °C) ซึ่งมีความหนาแน่นเท่ากับน้ำ (1 000 kg/m³)
• ถังสร้างจากแผ่นเหล็กอ่อนหนา 15 มม. (ความหนาแน่น = 7 850 kg/m³, cp = 0.5 kJ/kg °C)
• ถังใช้ทุกวันเว้นวัน ซึ่งสารละลายต้องยกจากอุณหภูมิแวดล้อมต่ำสุดที่ 8 °C เป็น 60 °C ใน 2 ชั่วโมง และคงอุณหภูมินั้นไว้ในระหว่างวัน
• เมื่อถังถึงอุณหภูมิแล้ว ชิ้นงานเหล็ก 500 กก. จะถูกจุ่มทุก 20 นาทีโดยไม่ทำให้ถังล้น (cp = 0.5 kJ/kg °C)

ส่วนที่ 1 - กำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยที่ต้องการระหว่าง Q̇M (เริ่มต้นเครื่อง)

ส่วนที่ 1.2 สมการ การให้ความร้อนวัสดุถัง Q̇M (ถัง)

ส่วนที่ 1.3 การสูญเสียความร้อนจากด้านข้างถัง Q̇M (ด้านข้าง)

ส่วนที่ 1.4 การสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวของเหลว Q̇M (พื้นผิว)

ส่วนที่ 1.5 ความต้องการการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยทั้งหมด Q̇M (เริ่มต้นเครื่อง)

ส่วนที่ 2 - กำหนดภาระเดินเครื่อง นั่นคืออัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุดที่ต้องการระหว่างการทำงาน Q̇(การทำงาน)

ในสภาวะทำงาน ของเหลวและถัง (A1 และ A2 หน้า 2.9.6) ถึงอุณหภูมิทำงานแล้ว ดังนั้นส่วนประกอบการให้ความร้อน = 0 ในสภาวะทำงาน การสูญเสียความร้อนจากของเหลวและถัง (A3 และ A4) จะมากกว่า เนื่องจากความแตกต่างที่มากขึ้นระหว่างอุณหภูมิของเหลวและถังกับสิ่งแวดล้อม การจุ่มชิ้นงานในของเหลวเป็นวัตถุประสงค์ชัดเจนของกระบวนการ ดังนั้นภาระความร้อนนี้ต้องคำนวณและเพิ่มเข้าไปในการสูญเสียความร้อนของภาระเดินเครื่อง

ส่วนที่ 2.1 การสูญเสียความร้อนจากด้านข้างถัง

ส่วนที่ 2.2 การสูญเสียความร้อนจากพื้นผิวของเหลว Q̇(พื้นผิว)

ส่วนที่ 2.3 การให้ความร้อนชิ้นงานเหล็กที่จุ่มในถัง Q̇(ชิ้นงาน)

ส่วนที่ 2.4 ความต้องการการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยทั้งหมด Q̇(การทำงาน)(ภาระเดินเครื่อง)

สังเกตว่าความต้องการพลังงานระหว่างทำงาน (59 kW) น้อยกว่าความต้องการพลังงานเริ่มต้นเครื่อง (367 kW) อย่างมีนัยสำคัญ นี่เป็นเรื่องปกติ และที่ที่เป็นไปได้ ช่วงเริ่มต้นเครื่องอาจขยายได้

สิ่งนี้จะมีผลลดอัตราการไหลพลังงานสูงสุด และมีประโยชน์ในการปรับระดับความต้องการจากหม้อไอน้ำ และลดความต้องการจากระบบควบคุมอุณหภูมิ สำหรับถังที่จะทำงานต่อเนื่อง มักจำเป็นต้องคำนวณเฉพาะความต้องการระหว่างทำงาน นั่นคือการคำนวณส่วนที่ 2