การให้ความร้อนด้วยขดท่อและเสื้อ

การให้ความร้อนทางอ้อมของของเหลวจะถูกครอบคลุมในบทเรียนนี้ รวมถึงเลย์เอาต์ การควบคุม และการระบายน้ำของขดท่อและเสื้อ รวมถึงการคำนวณการถ่ายเทความร้อน

ภาชนะสามารถให้ความร้อนได้หลายวิธี Module นี้จะกล่าวถึงการให้ความร้อนทางอ้อม ในระบบเหล่านี้ ความร้อนถูกถ่ายโอนผ่านพื้นผิวถ่ายเทความร้อน ตัวเลือก ได้แก่:

ขดท่อไอน้ำจุ่ม

การใช้ขดท่อถังเป็นเรื่องที่พบได้ทั่วไปเป็นพิเศษในแอปพลิเคชันทางเรือที่สินค้า เช่น น้ำมันดิบ น้ำมันรับประทาน ไขมันสัตว์ และกากน้ำตาล ให้ความร้อนในถังลึก ของเหลวหลายชนิดจัดการยากที่อุณหภูมิแวดล้อมเนื่องจากความหนืด ขดท่อให้ความร้อนด้วยไอน้ำใช้เพื่อยกอุณหภูมิของเหลวเหล่านี้ ลดความหนืดเพื่อให้สูบได้ง่ายขึ้น

ขดท่อถังยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมชุบโลหะและบำบัดโลหะ การชุบโลหะเกี่ยวข้องกับการส่งชิ้นงานผ่านถังกระบวนการหลายถังเพื่อเคลือบโลหะบนพื้นผิว หนึ่งในขั้นตอนแรกในกระบวนการนี้เรียกว่าการล้าง ที่วัสดุ เช่น เหล็กและทองแดง ถูกบำบัดโดยจุ่มในถังกรดหรือสารละลายด่างเพื่อขจัดตะกรันหรือออกไซด์ (เช่น สนิม) ที่อาจก่อตัว

การกำหนดขนาดขดท่อไอน้ำ

เมื่อกำหนดพลังงานที่ต้องการ (Module ก่อนหน้า) และด้วยความรู้เรื่องแรงดัน/อุณหภูมิไอน้ำในขดท่อ พื้นผิวถ่ายเทความร้อนอาจกำหนดได้โดยใช้สมการ 2.5.3:

พื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่คำนวณได้เทียบเท่ากับพื้นที่ผิวของขดท่อ และจะอนุญาตให้ระบุขนาดและเลย์เอาต์ที่เหมาะสม การกำหนดค่า ‘U’ เพื่อคำนวณพื้นที่ถ่ายเทความร้อน ต้องเลือกค่า U ของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม ซึ่งจะแปรผันอย่างมากตามคุณสมบัติทางความร้อนและการขนส่งของของไหลทั้งสองและสภาวะอื่นๆ หลายอย่าง ด้านผลิตภัณฑ์ของขดท่อ ชั้นขอบเขตความร้อนจะมีอยู่ซึ่งมีความชันของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและของเหลวส่วนใหญ่ หากความแตกต่างของอุณหภูมินี้ค่อนข้างใหญ่ การพาตามธรรมชาติจะมีนัยสำคัญและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะสูง การหมุนเวียนช่วย (เช่น การกวน) ที่เหนี่ยวนำการพาแบบบังคับ จะให้ค่าสัมประสิทธิ์ที่สูงกว่าด้วย เนื่องจากการพาขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่จำนวนมากของของไหลบางส่วน ความหนืด (ที่แปรผันตามอุณหภูมิ) ก็มีผลสำคัญต่อชั้นขอบเขตความร้อน

การแปรผันเพิ่มเติมอาจเกิดขึ้นด้านไอน้ำของขดท่อเช่นกัน โดยเฉพาะกับท่อยาว ทางเข้าขดท่ออาจมีความเร็วไอน้ำสูงและอาจค่อนข้างปลอดจากน้ำ

อย่างไรก็ตาม ตามความยาวของขดท่อ ความเร็วไอน้ำอาจต่ำกว่า และขดท่ออาจวิ่งเต็มบางส่วนด้วยน้ำ ในขดท่อยาวมาก เช่น ที่บางครั้งพบในเรือบรรทุกน้ำมันหรือในถังเก็บขนาดใหญ่ แรงดันตกอย่างมีนัยสำคัญเกิดขึ้นตามความยาวของขดท่อ เพื่อบรรลุอุณหภูมิขดท่อเฉลี่ย ความดันไอน้ำเฉลี่ยประมาณ 75% ของแรงดันทางเข้าอาจใช้ ในกรณีรุนแรง ความดันเฉลี่ยที่ใช้อาจต่ำถึง 40% ของแรงดันทางเข้า ตัวแปรอีกตัวคือวัสดุขดท่อเอง การนำความร้อนของวัสดุขดท่ออาจแปรผันอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การถ่ายเทความร้อนรวมถูกกำหนดในขอบเขตที่มากโดยฟิล์มความร้อน และการนำความร้อนของวัสดุขดท่อไม่มีนัยสำคัญเท่าผลรวมของพวกมัน ตาราง 2.10.1 ให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมทั่วไปสำหรับสภาวะต่างๆ ของแอปพลิเคชันขดท่อไอน้ำจุ่ม ค่า U สำหรับแรงดันไอน้ำระหว่าง 2 bar g และ 6 bar g ควรหาได้จากการประมาณค่าข้อมูลในตาราง

ตาราง 2.10.1 อัตราการปล่อยความร้อนสำหรับขดท่อไอน้ำจุ่มในน้ำ

ช่วงของตัวเลขที่แสดงในตาราง 2.10.1 แสดงความยากในการให้ค่า U ที่ชัดเจน ค่าที่ใช้ทั่วไปที่ปลายบนของสเกลจะใช้กับการติดตั้งที่จ่ายไอน้ำแห้งสะอาด ขดท่อเล็ก และการระบายน้ำควบแน่นที่ดี ปลายล่างเหมาะสมกว่าสำหรับไอน้ำคุณภาพต่ำ ขดท่อยาว และการระบายน้ำควบแน่นไม่ดี

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมที่แนะนำจะใช้กับสภาวะและการติดตั้งทั่วไป อัตราที่แนะนำเหล่านี้ได้มาจากเชิงประจักษ์ และโดยทั่วไปจะมั่นใจว่ามีขอบเขตความปลอดภัยเพียงพอสำหรับการกำหนดขนาดขดท่อ ในกรณีของของเหลวอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะแปรผันมากยิ่งขึ้นเนื่องจากวิธีที่ความหนืดแปรผันตามอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม ค่าที่แสดงในตาราง 2.10.2 จะทำหน้าที่เป็นแนวทางสำหรับสารที่พบบ่อยบางชนิด ขณะที่ตาราง 2.10.3 ให้พื้นที่ผิวทั่วไปของท่อต่อความยาวเมตร

ตาราง 2.10.2 อัตราการปล่อยความร้อนสำหรับขดท่อไอน้ำจุ่มในของเหลวต่างๆ

• วัสดุบางชนิด เช่น ไขมันสัตว์และมาการีน เป็นของแข็งที่อุณหภูมิปกติ แต่มีความหนืดค่อนข้างต่ำในสถานะหลอมเหลว

** กากน้ำตาลเชิงพาณิชย์มักมีน้ำและความหนืดต่ำกว่ามาก

ตาราง 2.10.3 พื้นที่ผิวทั่วไปของท่อเหล็กต่อความยาวเมตร

ตัวอย่าง 2.10.1

ต่อจากตัวอย่าง 2.9.1 ให้กำหนด:

• ส่วนที่ 1. อัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยระหว่างเริ่มต้นเครื่อง (ภาระความร้อนเฉลี่ย = 367 kW)
• ส่วนที่ 2. พื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ต้องการ
• ส่วนที่ 3. พื้นที่ผิวขดท่อที่แนะนำ
• ส่วนที่ 4. อัตราการไหลมวลไอน้ำสูงสุดด้วยพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่แนะนำ
• ส่วนที่ 5. คำแนะนำสำหรับการติดตั้ง รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางขดท่อและเลย์เอาต์ ข้อมูลเพิ่มเติมที่ให้มีดังนี้:
• แรงดันไอน้ำที่วาล์วควบคุม = 2.6 bar g (3.6 bar a)
• ขดท่อไอน้ำสแตนเลสให้ความร้อน
• ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากไอน้ำ/ขดท่อ/ของเหลว U = 650 W/m² °C ส่วนที่ 1 คำนวณอัตราการไหลมวลไอน้ำเฉลี่ยระหว่างเริ่มต้นเครื่อง แรงดันไอน้ำที่วาล์วควบคุม = 2.6 bar g (3.6 bar a) แรงดันตกวิกฤต (CPD) จะเกิดขึ้นข้ามวาล์วควบคุมระหว่างเริ่มต้นเครื่อง ดังนั้นแรงดันไอน้ำขั้นต่ำในขดท่อให้ความร้อนควรใช้เป็น 58% ของแรงดันสัมบูรณ์ต้นน้ำ คำอธิบายเรื่องนี้ให้ไว้ใน Block 5

ส่วนที่ 2 คำนวณพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ต้องการ

ส่วนที่ 3 คำแนะนำสำหรับพื้นที่ผิวขดท่อ เนื่องจากความยากในการให้ค่า U ที่แม่นยำ และเพื่ออนุญาตให้มีคราบสะสมในอนาคตบนพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อน จึงนิยมเพิ่ม 10% ให้พื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่คำนวณได้

ส่วนที่ 4 อัตราการไหลมวลไอน้ำสูงสุดด้วยพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่แนะนำ การถ่ายเทความร้อนสูงสุด (และดังนั้นความต้องการไอน้ำ) จะเกิดขึ้นเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างไอน้ำและของเหลวกระบวนการสูงสุด และควรพิจารณาพื้นที่ท่อเพิ่มเติมที่เผื่อไว้สำหรับคราบสะสม (a) พิจารณากำลังให้ความร้อนสูงสุดของขดท่อ Q̇(ขดท่อ)

(b) อัตราการไหลไอน้ำเพื่อส่งมอบ 519 kW

ส่วนที่ 5 คำแนะนำสำหรับการติดตั้ง รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางขดท่อและเลย์เอาต์ (a) กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวขดท่อ

อาจยากที่จะรองรับท่อให้ความร้อนขนาดใหญ่นี้ในถัง 3 ม. x 3 ม.

วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือวิ่งท่อคู่ขนานระหว่าง manifold ไอน้ำและน้ำควบแน่น ที่ความสูงต่างกันเพื่อกระตุ้นให้น้ำควบแน่นไหล

ไปยัง manifold น้ำควบแน่น (ล่าง) สายระบายน้ำต้องลาดจากฐาน manifold น้ำควบแน่นลงมายังกับดักไอน้ำ (หรือ pump-trap) ดูรูป 2.10.1 สำหรับเลย์เอาต์ที่แนะนำ

สังเกตว่าจ่ายไอน้ำอยู่ที่ปลายหนึ่งของ manifold ในขณะที่ชุดกับดักอยู่ที่ปลายอีกด้าน สิ่งนี้จะช่วยให้ไอน้ำไหลและผลักดันน้ำควบแน่นผ่านขดท่อ

ในแอปพลิเคชันนี้ ส่วนหัวไอน้ำและน้ำควบแน่นแต่ละตัวจะยาว 2.8 ม. เนื่องจาก manifold น้ำควบแน่นเก็บน้ำควบแน่น ความร้อนจากมันจะเล็กเมื่อเทียบกับ manifold ไอน้ำ และละเลยได้ในการคำนวณ Manifold ไอน้ำควรเป็นเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มม. ตามที่กำหนดจากการคำนวณความเร็วก่อนหน้า สิ่งนี้จะให้พื้นที่ให้ความร้อน: 2.8 ม. x 0.358 m²/m = 1.0 m² ดังนั้น 7 m² - 1 m² = 6 m² ของพื้นที่ถ่ายเทความร้อนยังต้องการ และต้องจัดหาโดยท่อเชื่อมต่อ เลือกท่อ 32 มม. โดยพลการเป็นการประนีประนอมที่ดีระหว่างความทนทานและความสามารถในการทำงาน:

ตรวจสอบ จำเป็นต้องยืนยันความเร็วไอน้ำผ่านท่อเชื่อมต่อ: บนพื้นฐานของสัดส่วนพื้นที่ถ่ายเทความร้อน ส่วนหัวไอน้ำจะควบแน่น:

เลย์เอาต์ขดท่อไอน้ำอื่นๆ

การออกแบบและเลย์เอาต์ของขดท่อไอน้ำจะขึ้นอยู่กับของเหลวกระบวนการที่ให้ความร้อน เมื่อของเหลวกระบวนการที่ให้ความร้อนเป็นสารละลายกัดกร่อน โดยทั่วไปแนะนำให้ท่อเข้าและออกของขดท่อดึงข้ามขอบถัง เนื่องจากไม่แนะนำให้เจาะผ่านซับกันกรดของผนังถัง สิ่งนี้จะมั่นใจว่าไม่มีจุดอ่อนในซับถังที่มีความเสี่ยงต่อการรั่วไหลของเหลวกัดกร่อน ในกรณีเหล่านี้ ขดท่อเองอาจทำจากวัสดุต้านการกัดกร่อน เช่น เหล็กเคลือบตะกั่วหรือทองแดง หรือโลหะผสม เช่น ไทเทเนียม อย่างไรก็ตาม ที่ไม่มีอันตรายจากการกัดกร่อน การยกข้ามโครงสร้างถังควรหลีกเลี่ยง และท่อเข้าและออกของไอน้ำอาจเจาะผ่านผนังถัง การมีอยู่ของการยกใดๆ จะส่งผลให้ท่อส่วนหนึ่งแช่น้ำ และอาจเกิดแรงกระแทกน้ำ เสียงรบกวน และท่อรั่ว ขดท่อให้ความร้อนด้วยไอน้ำโดยทั่วไปควรมีความลาดเอียงค่อยๆ จากทางเข้าถึงทางออกเพื่อให้มั่นใจว่าน้ำควบแน่นไหลไปยังทางออกและไม่สะสมที่ฐานของขดท่อ ที่ที่การยกหลีกเลี่ยงไม่ได้ ควรออกแบบให้รวมระบบซีลที่ฐานของการยกและท่อจุ่มขนาดเล็ก ตามที่แสดงในรูป 2.10.2

ระบบซีลอนุญาตให้น้ำควบแน่นจำนวนเล็กน้อยสะสมเพื่อทำหน้าที่เป็นซีลน้ำ และป้องกันการเกิด steam locking โดยไม่มีซีลนี้ ไอน้ำสามารถผ่านน้ำควบแน่นที่สะสมที่ฐานท่อ และปิดกับดักไอน้ำที่ด้านบนของท่อตั้ง

ระดับน้ำควบแน่นจะสูงขึ้นและก่อตัวเป็นซีลน้ำชั่วคราว ล็อกไอน้ำระหว่างฐานท่อตั้งและกับดักไอน้ำ กับดักไอน้ำยังคงปิดจนกว่าไอน้ำที่ถูกล็อกจะควบแน่น ซึ่งระหว่างนั้นขดท่อยังคงแช่น้ำต่อไป เมื่อไอน้ำที่ถูกล็อกควบแน่นและกับดักไอน้ำเปิด ก้อนน้ำจะถูกปล่อยขึ้นท่อตั้ง ทันทีที่ซีลน้ำแตก ไอน้ำจะเข้าท่อตั้งและปิดกับดัก ในขณะที่คอลัมน์น้ำที่แตกกลับลงไปอยู่ที่ฐานขดท่อให้ความร้อน ท่อจุ่มขนาดเล็กจะอนุญาตให้ไอน้ำจำนวนน้อยมากถูกล็อกในท่อตั้ง ช่วยให้คอลัมน์น้ำรักษาได้ง่ายโดยไม่มีไอน้ำเป็นฟองผ่าน ให้มั่นใจว่ามีการไหลน้ำควบแน่นที่สม่ำเสมอและต่อเนื่องไปยังทางออก เมื่อซีลแตกในที่สุด ปริมาณน้ำที่กลับไปขดท่อให้ความร้อนจะน้อยกว่าท่อตั้งขนาดใหญ่ที่ไม่ถูกจำกัด แต่เนื่องจากระบบซีลน้ำต้องการปริมาตรน้ำควบแน่นน้อยกว่าเพื่อสร้างซีลน้ำ จะกลับก่อตัวทันที หากกระบวนการเกี่ยวข้องกับชิ้นงานที่จุ่มลงในของเหลว อาจไม่สะดวกที่จะติดตั้งขดท่อที่ฐานถัง - อาจเสียหายจากวัตถุที่จุ่มในสารละลาย

นอกจากนี้ ระหว่างกระบวนการบางอย่าง คราบหนักจะตกตะกอนที่ฐานถังและสามารถปกคลุมพื้นผิวให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว ยับยั้งการถ่ายเทความร้อน ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ขดท่อแขวนข้างจึงมักใช้ในอุตสาหกรรมชุบโลหะ ในกรณีดังกล่าว ขดท่อแบบงูหรือแผ่นจัดเรียงตามด้านข้างของถัง ตามที่แสดงในรูป 2.10.3 ขดท่อเหล่านี้ควรมีความลาดเอียงลงสู่ฐานด้วยซีลน้ำและท่อจุ่มขนาดเล็ก การจัดเรียงนี้มีข้อดีที่มักติดตั้งง่ายกว่า และยังง่ายต่อการถอดเพื่อทำความสะอาดเป็นระยะหากต้องการ

หากชิ้นงานจะถูกจุ่มลงในถัง อาจไม่สามารถใช้เครื่องกวนใดๆ เพื่อเหนี่ยวนำการพาแบบบังคับและป้องกันการเกิดความชันของอุณหภูมิทั่วถัง ไม่ว่าจะใช้ขดท่อฐานหรือข้าง จำเป็นต้องจัดเรียงให้ครอบคลุมเพียงพอเพื่อกระจายความร้อนอย่างทั่วถึงในมวลของเหลว

เส้นผ่านศูนย์กลางของขดท่อควรให้ความยาวเพียงพอสำหรับการกระจายที่ดี ขดท่อสั้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่อาจไม่ให้การกระจายอุณหภูมิที่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม ขดท่อต่อเนื่องยาวมากอาจประสบความชันของอุณหภูมิเนื่องจากแรงดันตกจากปลายถึงปลาย ทำให้เกิดการให้ความร้อนของเหลวไม่สม่ำเสมอ ในขณะที่หัวข้อถัดไปสองหัวข้อ ‘การกำหนดขนาดวาล์วควบคุม’ และ ‘อุปกรณ์นำน้ำควบแน่นออก’ ถูกรวมไว้ใน Module นี้ ผู้อ่านใหม่ควรอ้างอิง Block และ Module ถัดไปใน The Learning Centre สำหรับข้อมูลที่ครบถ้วนและครอบคลุม ก่อนที่จะลองกำหนดขนาดและเลือกอุปกรณ์

การจัดเรียงวาล์วควบคุม

ชุดวาล์วควบคุมอาจเป็นวาล์วเดียวหรือสองวาล์วขนาน วาล์วเดียวที่ใหญ่พอสำหรับอัตราการไหลสูงสุดที่พบเมื่อเริ่มต้นเครื่อง อาจไม่สามารถควบคุมการไหลได้อย่างแม่นยำที่อัตราการไหลต่ำสุดที่คาดไว้ สิ่งนี้อาจทำให้การควบคุมอุณหภูมิไม่เสถียร

ทางเลือกคือติดตั้งวาล์วควบคุมอุณหภูมิสองตัวขนาน:

• วาล์วหนึ่ง (วาล์วเดินเครื่อง) ขนาดควบคุมที่อัตราการไหลต่ำกว่า
• วาล์วที่สอง (วาล์วเริ่มต้นเครื่อง) เพื่อส่งผ่านความแตกต่างระหว่างความจุของวาล์วแรกกับอัตราการไหลสูงสุด วาล์วเริ่มต้นเครื่องจะมีจุดตั้งค่าต่ำกว่าวาล์วเดินเครื่องเล็กน้อย ดังนั้นจะปิดก่อน ทิ้งวาล์วเดินเครื่องเพื่อควบคุมที่ภาระต่ำ

การกำหนดขนาดวาล์วควบคุม

ชุดวาล์วควบคุม (วาล์วเดียวหรือสองวาล์วขนาน) ขดท่อกำหนดขนาดจากค่าการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ย อย่างไรก็ตาม อาจดีกว่าที่จะกำหนดขนาดวาล์วควบคุมเพื่อจ่ายภาระ (เริ่มต้นเครื่อง) สูงสุด ด้วยขดท่อขนาดใหญ่ในถัง สิ่งนี้จะช่วยรักษาแรงดันไอน้ำตลอดความยาวขดท่อเมื่อเปิดไอน้ำ ช่วยผลักดันน้ำควบแน่นผ่านขดท่อไปยังอุปกรณ์กับดักไอน้ำ หากวาล์วควบคุมกำหนดขนาดจากค่าเฉลี่ย แรงดันไอน้ำในขดท่อเมื่อเริ่มต้นเครื่องจะมีแนวโน้มต่ำกว่าและขดท่ออาจท่วม

การใช้วาล์วเดียว

ต่อจากตัวอย่าง 2.10.1 ภาระไอน้ำสูงสุดคือ 850 kg/h และขดท่อออกแบบเพื่อส่งมอบที่แรงดัน 1.1 bar g แผนภูมิขนาดวาล์วไอน้ำจะแสดง Kv ประมาณ 20 ที่ต้องการเพื่อส่งผ่านไอน้ำ 850 kg/h ด้วยแรงดัน 2.6 bar g ที่ทางเข้าวาล์วควบคุม และแรงดันตกวิกฤต (CPD) ข้ามวาล์ว (Module 6.4 จะแสดงวิธีกำหนดขนาดวาล์วโดยการคำนวณ) วาล์วควบคุม DN40 ที่มี Kvs ใหญ่กว่า 25 จึงจำเป็นต้องเลือกสำหรับแอปพลิเคชันนี้ หากใช้วาล์วเดียว วาล์วนี้ต้องมั่นใจว่าภาระความร้อนสูงสุดได้รับการดูแล ขณะที่รักษาแรงดันไอน้ำที่ต้องการในขดท่อเพื่อช่วยระบายน้ำควบแน่นเมื่อเริ่มต้นเครื่อง อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลที่อธิบายไว้ก่อนหน้า สองวาล์วอาจดีกว่า ภาระเดินเครื่องคือ 52 kW และด้วยขดท่อที่ทำงานที่ 1.1 bar g ภาระไอน้ำเดินเครื่อง:

แผนภูมิขนาดวาล์วไอน้ำแสดง Kv 2 ที่ต้องการเพื่อส่งผ่าน 85 kg/h ด้วย 3.6 bar ต้นน้ำ ทำงานที่แรงดันตกวิกฤต

วาล์ว DN15 ประเภท KE (Kvs = 4) และวาล์วลูกสูบ DN25 (Kvs = 18.6) ทำงานร่วมกันจะรองรับภาระเริ่มต้นเครื่อง เมื่อใกล้อุณหภูมิควบคุม วาล์วขนาดใหญ่จะถูกตั้งค่าให้ปิด อนุญาตให้วาล์วเล็กให้การควบคุมที่ดี

อุปกรณ์นำน้ำควบแน่นออก

การเลือกและกำหนดขนาดอุปกรณ์นำน้ำควบแน่นออกจะได้รับอิทธิพลอย่างมากจากแรงดันย้อนกลับของน้ำควบแน่น สำหรับตัวอย่างนี้ สมมติว่าแรงดันย้อนกลับเป็นความดันบรรยากาศ อุปกรณ์ควรกำหนดขนาดเพื่อรองรับทั้งสองเงื่อนไขต่อไปนี้

1. ส่งผ่านน้ำควบแน่น 850 kg/h ด้วย 1.1 bar g ในขดท่อ นั่นคือสภาวะภาระเต็ม
2. ส่งผ่านภาระน้ำควบแน่นเมื่อแรงดันไอน้ำในขดท่อเท่ากับแรงดันย้อนกลับของน้ำควบแน่น นั่นคือสภาวะ stall load หากกับดักไอน้ำกำหนดขนาดเฉพาะเงื่อนไขแรก อาจไม่สามารถส่งผ่าน stall load (สภาวะที่ผลิตภัณฑ์ใกล้อุณหภูมิที่ต้องการและวาล์วควบคุมปรับลดแรงดันไอน้ำ) Stall load อาจมีจำนวนมาก เมื่อพูดถึงแอปพลิเคชันแบบไม่ไหล เช่น ถัง อาจไม่ร้ายแรงนักจากมุมมองทางความร้อน เนื่องจากเนื้อหาถังเกือบจะถึงอุณหภูมิที่ต้องการ และมีแหล่งกักเก็บความร้อนขนาดใหญ่ การลดลงของการถ่ายเทความร้อน ณ ส่วนนี้ของกระบวนการให้ความร้อนจึงอาจมีผลกระทบน้อยต่อเนื้อหาถัง อย่างไรก็ตาม น้ำควบแน่นจะย้อนกลับเข้าไปในขดท่อและจะเกิดแรงกระแทกน้ำ พร้อมกับอาการและแรงเครียดทางกลที่เกี่ยวข้อง ขดท่อถังในถังทรงกลมขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะทนทาน และมักสามารถทนแรงเครียดดังกล่าวได้ อย่างไรก็ตาม ปัญหาอาจเกิดขึ้นในถังสี่เหลี่ยม (ที่มีแนวโน้มเล็กกว่า) ที่แรงสั่นสะเทือนในขดท่อจะมีผลกระทบมากกว่าต่อโครงสร้างถัง ที่นี่ พลังงานที่กระจายโดยแรงกระแทกน้ำก่อให้เกิดแรงสั่นสะเทือน ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่ออายุขัยของขดท่อ ถัง และกับดักไอน้ำ รวมถึงสร้างเสียงรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ เมื่อพูดถึงแอปพลิเคชันแบบไหล เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่น การไม่พิจารณาสภาวะ stall จะมีผลกระทบร้ายแรง ส่วนใหญ่เนื่องจากปริมาตรเล็กในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การลดลงของพื้นผิวให้ความร้อนที่ไม่ต้องการ เช่น ที่เกิดจากน้ำควบแน่นย้อนกลับเข้าไปในช่องไอน้ำ อาจส่งผลต่อการไหลของความร้อนผ่านพื้นผิวให้ความร้อน สิ่งนี้อาจทำให้ระบบควบคุมไม่เสถียรและไม่สม่ำเสมอ และกระบวนการที่ต้องการการควบคุมที่เสถียรหรือแม่นยำอาจประสบกับประสิทธิภาพที่ต่ำ หากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดใหญ่เกินไป พื้นผิวให้ความร้อนเพียงพออาจเหลือเมื่อน้ำควบแน่นย้อนกลับเข้าไปในช่องไอน้ำ และการลดประสิทธิภาพทางความร้อนอาจไม่เกิดขึ้นเสมอ อย่างไรก็ตาม กับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไม่ได้ออกแบบรับมือผลกระทบของการแช่น้ำ อาจนำไปสู่การกัดกร่อนของพื้นผิวให้ความร้อน ลดอายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การแช่น้ำอาจในบางแอปพลิเคชันมีค่าใช้จ่ายสูง พิจารณาขดท่อน้ำค้างป้องกันน้ำแข็ง อากาศเย็นที่ 4 °C ที่ไหล 3 ม./วิ. สามารถแช่แข็งน้ำควบแน่นที่ถูกล็อกในขดท่ออย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดความล้มเหลวก่อนกำหนดและไม่สมควร การระบายน้ำควบแน่นที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาอายุการใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและเครื่องทำความร้อนอากาศทุกเครื่อง กับดักไอน้ำเป็นอุปกรณ์ที่ปรับเพื่ออนุญาตให้น้ำควบแน่นจำนวนต่างๆ ระบายน้ำจากแอปพลิเคชันภายใต้สภาวะต่างๆ กับดักลอยเป็นกับดักไอน้ำที่ออกแบบเพื่อปรับและปล่อยน้ำควบแน่นใกล้อุณหภูมิไอน้ำ ให้ประสิทธิภาพสูงสุดของโรงงาน อายุการใช้งานสูงสุด และผลตอบแทนสูงสุดจากการลงทุนในโรงงาน เมื่อสภาวะ stall เกิดขึ้นและไม่สามารถใช้กับดักไอน้ำ อัตโนมัติ pump-trap หรือ pump and trap ร่วมกันจะมั่นใจการระบายน้ำควบแน่นที่ถูกต้องตลอดเวลา เพิ่มศักยภาพทางความร้อนและต้นทุนอายุการใช้งานของโรงงานให้สูงสุด

ประเภทของเสื้อไอน้ำที่ใช้บ่อยที่สุดประกอบด้วยทรงกระบอกนอกที่ล้อมรอบภาชนะอย่างง่าย ตามที่แสดงในรูป 2.10.4 ไอน้ำหมุนเวียนในเสื้อนอก และควบแน่นบนผนังของภาชนะ ภาชนะหุ้มเสื้ออาจหุ้มฉนวน หรือมีช่องอากาศภายในล้อมรอบเสื้อ สิ่งนี้เพื่อให้มั่นใจว่าไอน้ำควบแน่นบนผนังเสื้อนอกน้อยที่สุด และความร้อนถูกถ่ายโอนเข้าไปยังภาชนะ

พื้นที่ถ่ายเทความร้อน (พื้นที่ผิวผนังภาชนะ) คำนวณได้ในลักษณะเดียวกับขดท่อไอน้ำ โดยใช้สมการ 2.5.3 และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมที่ให้ในตาราง 2.10.4

แม้เสื้อไอน้ำจะโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพทางความร้อนน้อยกว่าขดท่อจุ่ม เนื่องจากการสูญเสียรังสีไปยังสิ่งแวดล้อม แต่อนุญาตให้มีพื้นที่สำหรับกวนภาชนะเพื่อส่งเสริมการถ่ายเทความร้อน ค่า U ที่ระบุในตาราง 2.10.4 เป็นสำหรับการกวนแบบไม่ใกล้ชิดปานกลาง โดยทั่วไปผนังภาชนะทำจากสแตนเลสหรือเหล็กคาร์บอนซับในกระจก ซับในกระจกจะให้ชั้นต้านการกัดกร่อนเพิ่มเติม ขนาดของพื้นที่เสื้อไอน้ำจะขึ้นอยู่กับขนาดของภาชนะ แต่โดยทั่วไปความกว้างอาจอยู่ระหว่าง 50 มม. ถึง 300 มม.

ตาราง 2.10.4 ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวมสำหรับเสื้อไอน้ำ