วิธีการประมาณการใช้ไอน้ำ

วิธีการคำนวณความต้องการไอน้ำสำหรับแอปพลิเคชันแบบไหลและไม่ไหล รวมถึงการอุ่นเครื่อง การสูญเสียความร้อน และภาระเดินเครื่อง

การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับระบบไอน้ำจะขึ้นอยู่กับว่าอัตราการใช้ไอน้ำถูกกำหนดอย่างแม่นยำหรือไม่ สิ่งนี้จะอนุญาตให้คำนวณขนาดท่อได้ ในขณะที่อุปกรณ์เสริม เช่น วาล์วควบคุมและกับดักไอน้ำ สามารถกำหนดขนาดเพื่อให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ความต้องการไอน้ำของโรงงานอาจกำหนดได้โดยใช้วิธีที่ต่างกันหลายวิธี: การคำนวณ

โดยวิเคราะห์ผลผลิตความร้อนบนอุปกรณ์โรงงานโดยใช้สมการถ่ายเทความร้อน อาจประมาณการใช้ไอน้ำได้ แม้การถ่ายเทความร้อนไม่ใช่วิทยาศาสตร์ที่แน่นอนและอาจมีตัวแปรที่ไม่ทราบจำนวนมาก แต่สามารถใช้ข้อมูลทดลองจากแอปพลิเคชันที่คล้ายกันก่อนหน้า ผลลัพธ์ที่ได้จากวิธีนี้มักแม่นยำเพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่ การวัด

การใช้ไอน้ำอาจกำหนดได้โดยการวัดตรงโดยใช้อุปกรณ์มาตรวัดการไหล สิ่งนี้จะให้ข้อมูลที่ค่อนข้างแม่นยำเกี่ยวกับการใช้ไอน้ำสำหรับโรงงานที่มีอยู่ อย่างไรก็ตาม สำหรับโรงงานที่ยังอยู่ในขั้นตอนการออกแบบ หรือยังไม่เริ่มทำงาน วิธีนี้แทบไม่มีประโยชน์ คะแนนความร้อน

คะแนนความร้อน (หรือคะแนนการออกแบบ) มักแสดงบนป้ายชื่อของอุปกรณ์แต่ละชิ้น ตามที่ผู้ผลิตจัดให้ คะแนนเหล่านี้มักแสดงผลผลิตความร้อนที่คาดไว้ใน kW แต่การใช้ไอน้ำที่ต้องการใน kg/h จะขึ้นอยู่กับแรงดันไอน้ำที่แนะนำ การเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ใดๆ ที่อาจเปลี่ยนผลผลิตความร้อนที่คาดไว้ หมายความว่าคะแนนความร้อน (การออกแบบ) และภาระที่เชื่อมต่อ (การใช้ไอน้ำจริง) จะไม่เหมือนกัน คะแนนของผู้ผลิตเป็นตัวบ่งชี้ศักยภาพในอุดมคติของอุปกรณ์ และไม่จำเป็นต้องเท่ากับภาระที่เชื่อมต่อ

การคำนวณ

ในกรณีส่วนใหญ่ ความร้อนในไอน้ำต้องทำสองสิ่ง:

1. ผลิตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในผลิตภัณฑ์ นั่นคือจัดหาส่วนประกอบ ‘ให้ความร้อน’
2. รักษาอุณหภูมิผลิตภัณฑ์เมื่อความร้อนสูญเสียจากสาเหตุธรรมชาติหรือการออกแบบ นั่นคือจัดหาส่วนประกอบ ‘สูญเสียความร้อน’ ในกระบวนการให้ความร้อนใดๆ ส่วนประกอบ ‘ให้ความร้อน’ จะลดลงเมื่ออุณหภูมิผลิตภัณฑ์สูงขึ้น และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างขดท่อให้ความร้อนกับผลิตภัณฑ์ลดลง อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบสูญเสียความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิผลิตภัณฑ์สูงขึ้นและสูญเสียความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อมจากภาชนะหรือท่อมากขึ้น ความต้องการความร้อนทั้งหมด ณ เวลาใดเวลาหนึ่งคือผลรวมของสองส่วนประกอบนี้ สมการที่ใช้กำหนดปริมาณความร้อนที่ต้องการเพื่อยกอุณหภูมิของสาร (สมการ 2.1.4 จาก module 2) อาจพัฒนาเพื่อใช้กับช่วงของกระบวนการถ่ายเทความร้อน

ในรูปแบบเดิม สมการนี้อาจใช้กำหนดปริมาณพลังงานความร้อนทั้งหมดตลอดกระบวนการ อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบปัจจุบัน ไม่คำนึงถึงอัตราการถ่ายเทความร้อน เพื่อกำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อน แอปพลิเคชันแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทต่างๆ อาจแบ่งเป็นสองประเภทกว้างๆ: แอปพลิเคชันแบบไม่ไหล

ที่ผลิตภัณฑ์ที่ให้ความร้อนเป็นมวลคงที่และชุดเดียวภายในขอบเขตของภาชนะ แอปพลิเคชันแบบไหล

ที่ของไหลที่ให้ความร้อนไหลอย่างต่อเนื่องผ่านพื้นผิวถ่ายเทความร้อน

แอปพลิเคชันแบบไม่ไหล

ในแอปพลิเคชันแบบไม่ไหล ของเหลวกระบวนการถูกเก็บเป็นชุดเดียวภายในขอบเขตของภาชนะ ขดท่อไอน้ำที่อยู่ในภาชนะ หรือเสื้อไอน้ำรอบภาชนะ อาจเป็นพื้นผิวให้ความร้อน ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ เครื่องทำน้ำร้อนเก็บกักตามที่แสดงในรูป 2.6.1 และถังเก็บน้ำมันที่ถังเหล็กกลมขนาดใหญ่เติมน้ำมันที่ต้องการความร้อนก่อนสูบ บางกระบวนการเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนของแข็ง ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ เครื่องอัดยาง เตารีดอุตสาหกรรม เครื่องวัลคาไนซ์ และเครื่องนึ่งฆ่าเชื้อ

ในแอปพลิเคชันแบบไม่ไหลบางอย่าง เวลาอุ่นเครื่องกระบวนการไม่สำคัญและละเลย อย่างไรก็ตาม ในบางอย่าง เช่น ถังและเครื่องวัลคาไนซ์ อาจไม่เพียงสำคัญแต่สำคัญยิ่งต่อกระบวนการทั้งหมด

พิจารณากระบวนการให้ความร้อนแบบไม่ไหลสองกระบวนการที่ต้องการพลังงานความร้อนเท่ากัน แต่ใช้เวลาอุ่นเครื่องต่างกัน อัตราการถ่ายเทความร้อนจะต่างกันในขณะที่ปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนทั้งหมดจะเท่ากัน

อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยสำหรับแอปพลิเคชันดังกล่าวอาจได้มาโดยปรับสมการ 2.1.4 เป็นสมการ 2.6.1:

ตัวอย่าง 2.6.1

การคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยในแอปพลิเคชันแบบไม่ไหล น้ำมันปริมาณหนึ่งให้ความร้อนจากอุณหภูมิ 35 °C เป็น 120 °C ในช่วง 10 นาที (600 วินาที) ปริมาตรน้ำมันคือ 35 ลิตร ความถ่วงจำเพาะ 0.9 และความร้อนจำเพาะ 1.9 kJ/kg °C ในช่วงอุณหภูมินั้น กำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อนที่ต้องการ: เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (STP) คือ 1 000 kg/m³

สมการ 2.6.1 อาจใช้ได้ไม่ว่าสารที่ให้ความร้อนจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ

อย่างไรก็ตาม ไม่คำนึงถึงการถ่ายเทความร้อนที่เกี่ยวข้องเมื่อมีการเปลี่ยนสถานะ ปริมาณความร้อนที่จัดให้โดยการควบแน่นของไอน้ำอาจกำหนดได้จากสมการ 2.6.2:

ดังนั้น การใช้ไอน้ำอาจกำหนดจากอัตราการถ่ายเทความร้อนและในทางกลับกัน จากสมการ 2.6.3

หากสมมติว่าการถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพ 100% ความร้อนที่จัดให้โดยไอน้ำต้องเท่ากับความต้องการความร้อนของของเหลวที่จะให้ความร้อน อาจใช้เพื่อสร้างสมดุลความร้อน ที่พลังงานความร้อนที่จัดให้และต้องการเท่ากัน:

ตัวอย่าง 2.6.2

ถังบรรจุน้ำมันก๊าด 400 กก. จะให้ความร้อนจาก 10 °C เป็น 40 °C ใน 20 นาที (1 200 วินาที) โดยใช้ไอน้ำ 4 bar g น้ำมันก๊าดมีความร้อนจำเพาะ 2.0 kJ/kg °C ในช่วงอุณหภูมินั้น hfg ที่ 4.0 bar g คือ 2 108.1 kJ/kg ถังหุ้มฉนวนดีและการสูญเสียความร้อนเล็กน้อย

ในแอปพลิเคชันแบบไม่ไหลบางอย่าง ระยะเวลาของกระบวนการ batch อาจไม่สำคัญ และเวลาอุ่นเครื่องที่นานกว่าอาจยอมรับได้ สิ่งนี้จะลดการใช้ไอน้ำทันทีและขนาดของอุปกรณ์โรงงานที่ต้องการ

แอปพลิเคชันแบบไหล

ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อ ดูรูป 2.6.2 (เรียกอีกอย่างว่าเครื่องทำน้ำร้อนแบบไม่เก็บกัก) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแผ่น ที่จ่ายน้ำร้อนให้ระบบทำความร้อนหรือกระบวนการอุตสาหกรรม อีกตัวอย่างคือแบตเตอรี่เครื่องทำความร้อนอากาศที่ไอน้ำปล่อยความร้อนให้อากาศที่ไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง

รูป 2.6.3 ให้โปรไฟล์อุณหภูมิทั่วไปในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีอัตราการไหลของเหลวทุติยภูมิคงที่ อุณหภูมิควบแน่น (TS) คงที่ตลอดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

ของเหลวให้ความร้อนจาก T1 ที่วาล์วทางเข้า เป็น TS ที่ทางออกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

สำหรับอัตราการไหลทุติยภูมิคงที่ ภาระความร้อนที่ต้องการ (Q̇) เป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิผลิตภัณฑ์ที่สูงขึ้น (ΔT) โดยใช้สมการ 2.6.1:

การใช้ไอน้ำเฉลี่ย

การใช้ไอน้ำเฉลี่ยของแอปพลิเคชันแบบไหล เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกระบวนการหรือเครื่องทำความร้อน อาจกำหนดจากสมการ 2.6.6 ตามที่แสดงในสมการ 2.6.7

แต่เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยคำนวณจากอัตราการไหลมวล ความร้อนจำเพาะ และอุณหภูมิที่สูงขึ้น การใช้สมการ 2.6.7 จึงง่ายกว่า

ตัวอย่าง 2.6.3

ไอน้ำแห้งอิ่มตัวที่ 3 bar g ใช้ให้ความร้อนน้ำที่ไหลคงที่ 1.5 l/s จาก 10°C เป็น 60°C hfg ที่ 3 bar g คือ 2 133.4 kJ/kg และความร้อนจำเพาะของน้ำคือ 4.19 kJ/kg °C กำหนดอัตราการไหลไอน้ำจากสมการ 2.6.7: เนื่องจากน้ำ 1 ลิตรมีมวล 1 กก. อัตราการไหลมวล = 1.5 kg/s

เมื่อเริ่มต้นเครื่อง อุณหภูมิทางเข้า T1 อาจต่ำกว่าอุณหภูมิทางเข้าที่คาดไว้ที่ภาระเดินเครื่องเต็ม ทำให้เกิดความต้องการความร้อนสูงกว่า หากเวลาอุ่นเครื่องสำคัญต่อกระบวนการ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้องกำหนดขนาดเพื่อจัดหาความต้องการความร้อนที่เพิ่มขึ้นนี้ อย่างไรก็ตาม ภาระอุ่นเครื่องมักละเลยในการคำนวณการออกแบบแบบไหล เนื่องจากการเริ่มต้นเครื่องมักไม่บ่อยนัก และเวลาที่ใช้ถึงสภาวะออกแบบไม่สำคัญนัก พื้นผิวให้ความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจึงมักกำหนดขนาดจากสภาวะภาระเดินเครื่อง

ในแอปพลิเคชันแบบไหล การสูญเสียความร้อนจากระบบมีแนวโน้มน้อยกว่าความต้องการให้ความร้อนมาก และมักละเลย อย่างไรก็ตาม หากการสูญเสียความร้อนมีจำนวนมาก การสูญเสียความร้อนเฉลี่ย (ส่วนใหญ่จากท่อจ่าย) ควรรวมไว้เมื่อคำนวณพื้นที่ผิวให้ความร้อน

ส่วนประกอบอุ่นเครื่องและสูญเสียความร้อน

ในกระบวนการให้ความร้อนใดๆ ส่วนประกอบอุ่นเครื่องจะลดลงเมื่ออุณหภูมิผลิตภัณฑ์สูงขึ้น และความแตกต่างของอุณหภูมิข้ามขดท่อให้ความร้อนลดลง อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบสูญเสียความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิผลิตภัณฑ์และภาชนะสูงขึ้น และสูญเสียความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อมจากภาชนะหรือท่อมากขึ้น ความต้องการความร้อนทั้งหมด ณ เวลาใดเวลาหนึ่งคือผลรวมของสองส่วนประกอบนี้ หากพื้นผิวให้ความร้อนกำหนดขนาดเพียงพิจารณาส่วนประกอบอุ่นเครื่อง อาจไม่มีความร้อนเพียงพอสำหรับกระบวนการถึงอุณหภูมิที่คาดไว้ องค์ประกอบให้ความร้อน เมื่อกำหนดขนาดจากผลรวมของค่าเฉลี่ยของสองส่วนประกอบนี้ ควรสามารถตอบสนองความต้องการความร้อนทั้งหมดของแอปพลิเคชันได้ตามปกติ บางครั้ง กับถังเก็บน้ำมันขนาดใหญ่มาก อาจสมเหตุสมผลที่จะรักษาอุณหภูมิเก็บรักษาต่ำกว่าอุณหภูมิสูบที่ต้องการ เนื่องจากจะลดการสูญเสียความร้อนจากพื้นที่ผิวถัง วิธีให้ความร้อนอื่นอาจใช้ เช่น เครื่องทำความร้อนไหลออก ตามที่แสดงในรูป 2.6.4

องค์ประกอบให้ความร้อนหุ้มด้วยปลอกโลหะที่ยื่นเข้าไปในถังและออกแบบเพื่อให้เฉพาะน้ำมันในบริเวณใกล้เคียงถูกดูดเข้ามาและให้ความร้อนถึงอุณหภูมิสูบ ความร้อนจึงต้องการเมื่อสูบน้ำมันออกเท่านั้น และเนื่องจากอุณหภูมิถังลดลง ฉนวนจึงมักไม่จำเป็น ขนาดของเครื่องทำความร้อนไหลออกจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้ำมัน อุณหภูมิสูบ และอัตราสูบ

การเพิ่มวัสดุในถังกระบวนการเปิดด้านบนอาจถือเป็นส่วนประกอบสูญเสียความร้อนที่จะเพิ่มความต้องการทางความร้อนด้วย วัสดุเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นแหล่งดูดซับความร้อนเมื่อจุ่ม และต้องพิจารณาเมื่อกำหนดขนาดพื้นผิวให้ความร้อน ไม่ว่าจะเป็นแอปพลิเคชันใด เมื่อพื้นผิวถ่ายเทความร้อนต้องคำนวณ จำเป็นต้องประเมินอัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยทั้งหมดก่อน จากสิ่งนี้ ความต้องการความร้อนและภาระไอน้ำอาจกำหนดได้สำหรับภาระเต็มและการเริ่มต้นเครื่อง สิ่งนี้จะอนุญาตให้ขนาดของวาล์วควบคุมอิงจากเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่งจากสองเงื่อนไขนี้ ขึ้นอยู่กับทางเลือก