การใช้ไอน้ำของท่อและเครื่องทำความร้อนอากาศ

ไอน้ำจะควบแน่นและปล่อยเอนทัลปีของการระเหยบนผนังของท่อใดๆ ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยทั่วไปไม่สามารถหรือจำเป็นต้องคำนวณการใช้ไอน้ำได้อย่างแม่นยำ บทช่วยสอนนี้ช่วยให้สามารถประมาณค่าได้อย่างน่าพอใจสำหรับวัตถุประสงค์เชิงปฏิบัติส่วนใหญ่

ไอน้ำจะควบแน่นและปล่อยเอนทัลปีของการระเหยบนผนังของท่อใดๆ ที่สัมผัสกับอากาศโดยรอบ ในบางกรณี เช่น ท่อจ่ายไอน้ำหลัก การถ่ายเทความร้อนจะลดลงให้เหลือน้อยที่สุดโดยการหุ้มฉนวนท่อ ในกรณีอื่นๆ เช่น แบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศ การถ่ายเทความร้อนอาจส่งเสริมโดยใช้ครีบบนผิวนอกของท่อ โดยทั่วไปไม่สามารถหรือจำเป็นต้องคำนวณการใช้ไอน้ำได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างในโมดูลนี้ช่วยให้สามารถประมาณค่าได้อย่างเพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์เชิงปฏิบัติส่วนใหญ่

ท่อจ่ายไอน้ำหลัก

ในระบบไอน้ำใดๆ การควบแน่นของไอน้ำที่เกิดจากตัวท่อเองต้องถูกคำนึงถึง อัตราการควบแน่นจะสูงที่สุดในช่วงอุ่นเครื่อง และสิ่งนี้ควรกำหนดขนาดของ steam trap ที่ใช้สำหรับการระบายน้ำหลัก เมื่อท่อจ่ายไอน้ำหลักอยู่ในระหว่างการใช้งาน จะมีการสูญเสียความร้อนที่น้อยกว่า (แต่ต่อเนื่อง) จากท่อ ทั้งสองส่วนนี้สามารถคำนวณได้เป็น ‘โหลดอุ่นเครื่อง’ และ ‘โหลดขณะเดินเครื่อง’

โหลดอุ่นเครื่อง

ความร้อนจะต้องใช้ในเบื้องต้นเพื่อทำให้ท่อเย็นถึงอุณหภูมิทำงาน เป็นแนวปฏิบัติที่ดีที่จะทำเช่นนี้อย่างช้าๆ เพื่อเหตุผลด้านความปลอดภัย ท่อจะได้รับประโยชน์จากความเค้นทางความร้อนและทางกลที่ลดลง สิ่งนี้จะส่งผลให้มีการรั่วไหลน้อยลง ค่าบำรุงรักษาต่ำกว่า และอายุการใช้งานของท่อยาวนานขึ้น การอุ่นเครื่องอย่างช้าๆ สามารถทำได้โดยการติดตั้งวาล์วขนาดเล็กแบบขนานกับวาล์วแยกหลัก (รูป 2.12.1) วาล์วสามารถกำหนดขนาดตามเวลาอุ่นเครื่องที่ต้องการ การทำให้วาล์วอุ่นเครื่องเปิดอัตโนมัติอย่างช้าๆ บนท่อขนาดใหญ่สามารถปรับปรุงความปลอดภัย วาล์วแยกหลักเดี่ยวสามารถใช้ได้สำเร็จ แต่เนื่องจากจะถูกกำหนดขนาดเพื่อส่งผ่านอัตราการออกแบบของท่อ จึงมีขนาดใหญ่เกินไปในช่วงอุ่นเครื่องและจะทำงานใกล้กับที่นั่งมากในช่วงเวลานี้ เครื่องแยกที่ติดตั้งก่อนวาล์วจะรับประกันว่าไอน้ำที่ผ่านจะแห้ง ปกป้องชิ้นส่วนจากการสึกหรอก่อนเวลา เวลาที่ใช้ในการอุ่นท่อจ่ายไอน้ำหลักควรยาวนานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ เพื่อลดความเค้นทางกลของท่อ ปรับปรุงความปลอดภัยให้เหมาะสม และลดโหลดเริ่มต้น

หากใช้เวลา 10 นาทีแทน 5 นาที อัตราการไหลเริ่มต้นของไอน้ำจะลดลงครึ่งหนึ่ง เวลาอุ่นเครื่อง 20 นาทีจะลดโหลดอุ่นเครื่องลงอีก

อัตราการไหลของไอน้ำที่ต้องการเพื่อนำระบบท่อไปสู่อุณหภูมิทำงานเป็นฟังก์ชันของมวลและความร้อนจำเพาะของวัสดุ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เอนทัลปีของการระเหยของไอน้ำที่ใช้ และเวลาที่อนุญาต สิ่งนี้สามารถแสดงได้ด้วยสมการ 2.12.1:

ตัวอย่าง 2.12.1 การสูญเสียความร้อนจากท่อจ่ายไอน้ำ

ระบบประกอบด้วยท่อเหล็กคาร์บอนขนาด 100 ม. ขนาด 100 มม. ซึ่งรวมถึงข้อต่อหน้าแปลน PN40 9 คู่ และวาล์วแยก 1 ตัว cp ของเหล็ก = 0.49 kJ/kg °C อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม/เริ่มต้นคือ 20°C และความดันไอน้ำคือ 14.0 bar g, 198°C จากตารางไอน้ำ (ดูตาราง 2.12.2)

ตาราง 2.12.2췌กจากตารางไอน้ำ

กำหนด:

ส่วนที่ 1 อัตราการควบแน่นสำหรับการอุ่นเครื่องในเวลา 30 นาที

ส่วนที่ 2 โหลดขณะเดินเครื่องหากความหนาฉนวนคือ 75 มม. ส่วนที่ 1 คำนวณโหลดอุ่นเครื่อง

หมายเหตุ: อัตราการควบแน่นนี้จะใช้เพื่อเลือกวาล์วควบคุมการอุ่นเครื่องที่เหมาะสม

เมื่อเลือก steam trap อัตราการควบแน่นนี้ควรคูณด้วยตัวเลขสองเพื่อรองรับแรงดันไอน้ำที่ต่ำกว่าซึ่งจะเกิดขึ้นจนกว่าการอุ่นเครื่องจะเสร็จสิ้น จากนั้นหารด้วยจำนวน steam trap ที่ติดตั้งเพื่อให้ได้กำลังของแต่ละ trap ที่ต้องการ

ตาราง 2.12.3 น้ำหนักทั่วไปของท่อเหล็ก หน้าแปลนและสลักเกลียว และวาล์วแยก เป็น kg

ส่วนที่ 2 โหลดขณะเดินเครื่อง ****ไอน้ำจะควบแน่นเมื่อความร้อนสูญเสียจากท่อไปยังสิ่งแวดล้อม: อัตราการควบแน่นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้:

• อุณหภูมิไอน้ำ
• อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม
• ประสิทธิภาพของฉนวน ตาราง 2.12.4 ให้อัตราการปล่อยความร้อนทั่วไปที่คาดหวังจากท่อเหล็กที่ไม่หุ้มฉนวนในอากาศนิ่งที่ 20°C

ตาราง 2.12.4 การปล่อยความร้อนจากท่อเหล็กที่ไม่หุ้มฉนวนที่เปิดโล่งในอากาศที่ 20 °C (W/m)

ท่อจ่ายหลักจะถูกหุ้มฉนวนตามปกติ และเห็นได้ชัดว่าเป็นข้อดีหากหน้าแปลนและอุปกรณ์ท่ออื่นๆ ถูกหุ้มฉนวนด้วย หากท่อหลักมีหน้าแปลน แต่ละคู่หน้าแปลนจะมีพื้นที่ผิวประมาณเท่ากับท่อขนาดเดียวกันยาว 300 มม.

อัตราการถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นที่ถ่ายเทความร้อนถูกกระทำโดยการเคลื่อนที่ของอากาศ ในกรณีเหล่านี้ ตัวคูณตามที่แสดงในตาราง 2.12.5 ควรนำมาพิจารณา หากติดตั้งท่อแบบครีบหรือท่อลอน ควรใช้ค่าการปล่อยความร้อนจากผู้ผลิตเสมอ ในแง่ทั่วไป ความเร็วลมสูงสุด 4 หรือ 5 m/s (ประมาณ 10 mph) แสดงถึงลมอ่อน ระหว่าง 5 ถึง 10 m/s (ประมาณ 10 - 20 mph) เป็นลมแรง ความเร็วลมท่ออากาศทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 3 m/s เทียบเคียง

ตาราง 2.12.5 การเพิ่มขึ้นของการปล่อยความร้อนโดยประมาณเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอากาศเหนือท่อที่มีค่าการแผ่รังสีสูง

หมายเหตุ: ค่าที่แน่นอนนั้นยากที่จะกำหนด เนื่องจากมีปัจจัยหลายอย่างที่เกี่ยวข้อง ตัวเลขในตาราง 2.12.5 ถูกกำหนดขึ้นและให้แนวทางโดยประมาณว่าตัวเลขในตาราง 2.12.4 ควรคูณด้วยเท่าใด ท่อที่ถูกกระทำโดยการเคลื่อนที่ของอากาศสูงสุดประมาณ 1 m/s อาจถือว่าอยู่ในอากาศนิ่ง และการสูญเสียความร้อนค่อนข้างคงที่จนถึงจุดนี้ เป็นแนวทาง ท่อที่ทาสีจะมีค่าการแผ่รังสีสูง เหล็กออกซิไดซ์มีค่าการแผ่รังสีปานกลาง และสแตนเลสขัดมันมี

ค่าการแผ่รังสีต่ำ การลดลงของการสูญเสียความร้อนจะขึ้นอยู่กับประเภทและความหนาของวัสดุฉนวนที่ใช้ และสภาพทั่วไปของมัน สำหรับวัตถุประสงค์เชิงปฏิบัติส่วนใหญ่ การหุ้มฉนวนท่อจ่ายไอน้ำจะลดการปล่อยความร้อนในตาราง 2.12.4 ตามตัวฉนวน (f) ที่แสดงในตาราง 2.12.6 หมายเหตุว่าตัวเลขเหล่านี้เป็นค่าเฉพาะชื่อเท่านั้น สำหรับการคำนวณเฉพาะ โปรดปรึกษาผู้ผลิตฉนวน

ตาราง 2.12.6 ตัวฉนวน ‘f’

การสูญเสียความร้อนจากท่อที่หุ้มฉนวนสามารถแสดงได้ดังสมการ 2.12.2:

กำหนดความยาว L: สมมุติค่าเผื่อเทียบเท่า 0.3 ม. สำหรับแต่ละคู่หน้าแปลน และ 1.2 ม. สำหรับวาล์วหยุดแต่ละตัว ความยาวที่มีผลรวม (L) ของท่อจ่ายไอน้ำหลักในตัวอย่างนี้คือ:

กำหนดอัตราการปล่อยความร้อน Q̇: อุณหภูมิของไอน้ำที่ 14.0 bar gauge คือ 198 °C และด้วยอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม 20 °C ผลต่างอุณหภูมิคือ 178 °C

จากตาราง 2.12.4: การสูญเสียความร้อนสำหรับท่อ 100 มม. ≈ 1 374 W / ม. กำหนดตัวฉนวน f: ตัวฉนวนสำหรับฉนวน 75 มม. บนท่อ 100 มม. ที่ 14 bar g (จากตาราง 2.12.6) ประมาณ 0.07

ตามที่เห็นจากตัวอย่างนี้ โหลดอุ่นเครื่อง 161 kg/h (ดูตัวอย่าง 2.12.1 ส่วนที่ 1) มากกว่าโหลดขณะเดินเครื่อง 18.3 kg/h อย่างมีนัยสำคัญ และโดยทั่วไป steam trap ที่กำหนดขนาดตามหน้าที่อุ่นเครื่องจะรองรับโหลดขณะเดินเครื่องโดยอัตโนมัติ

หากท่อจ่ายข้างต้นไม่หุ้มฉนวนหรือฉนวนเสียหาย โหลดขณะเดินเครื่องจะมากกว่าประมาณสิบสี่เท่า ด้วยท่อที่ไม่หุ้มฉนวน หรือท่อที่หุ้มฉนวนไม่ดี ควรเปรียบเทียบโหลดขณะเดินเครื่องและโหลดอุ่นเครื่องเสมอ โหลดที่สูงกว่าควรใช้เพื่อกำหนดขนาด steam trap ตามที่อธิบายข้างต้น ในอุดมคติ คุณภาพของฉนวนควรปรับปรุง หมายเหตุ: เมื่อคำนวณการสูญเสียจากการอุ่นเครื่อง ควรพิจารณาข้อกำหนดท่อที่ถูกต้อง เนื่องจากน้ำหนักท่ออาจแตกต่างกันระหว่างมาตรฐานท่อต่างๆ

การให้ความร้อนอากาศ

ความหนาแน่นและความร้อนจำเพาะของอากาศเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิ สำหรับวัตถุประสงค์เชิงปฏิบัติส่วนใหญ่ เมื่อให้ความร้อนอากาศสำหรับ HVAC และการใช้งานกระบวนการด้วยวิธีที่กล่าวถึงด้านล่าง ค่าตัวเลข 1.3 kJ/m³ °C สามารถใช้สำหรับความร้อนจำเพาะ และ 1.3 kg/m3 สำหรับความหนาแน่น

ท่อให้ความร้อนอากาศ

อากาศร้อนจำเป็นสำหรับการใช้งานหลายอย่าง รวมถึง:

• การให้ความร้อนในอาคาร
• การระบายอากาศ
• การใช้งานในกระบวนการ

อุปกรณ์ที่ต้องการมักประกอบด้วยเมทริกซ์ของท่อที่เติมด้วยไอน้ำ ติดตั้งขวางกระแสอากาศ เมื่ออากาศผ่านท่อ ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากไอน้ำไปยังอากาศ บ่อยครั้งเพื่อลดขนาดและมวลของอุปกรณ์ อนุญาตให้ติดตั้งในพื้นที่จำกัดด้วยโครงสร้างรองรับที่ลดลง และเพื่อจำกัดค่าใช้จ่าย อัตราการถ่ายเทความร้อนจากท่อไปยังอากาศจะเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มครีบบนผนังนอกของท่อ

สิ่งนี้มีผลในการเพิ่มพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่มีอยู่ และลดปริมาณท่อที่ต้องการ รูป 2.12.2 แสดงตัวอย่างของท่อครีบ โดยทั่วไป เครื่องทำความร้อนอากาศอาจแบ่งเป็นสองประเภท:

• เครื่องทำความร้อนเดี่ยว
• แบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศ

เครื่องทำความร้อนเดี่ยว

สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยแบตเตอรีฮีตเตอร์และพัดลมในตัวเรือนกะทัดรัดเดียว (รูป 2.12.3) ตัวกลางปฐมภูมิ (ไอน้ำ) ควบแน่นในแบตเตอรีฮีตเตอร์ และอากาศจะอุ่นขึ้นเมื่อพัดผ่านขดลวดและถูกปล่อยเข้าไปในพื้นที่ เครื่องทำความร้อนเดี่ยวสามารถจัดเรียงให้มีท่อทางเข้าอากาศบริสุทธิ์ แต่ส่วนใหญ่ทำงานด้วยอากาศหมุนเวียน

อากาศอุ่นสามารถถูกปล่อยในแนวตั้งลงหรือแนวนอน ความดันไอน้ำ ความสูงในการติดตั้ง ประเภทของการปล่อย และอุณหภูมิที่ออกล้วนเกี่ยวข้องกัน และข้อมูลจากผู้ผลิตควรปรึกษาก่อนเลือกเครื่องทำความร้อนเดี่ยว หน่วยส่วนใหญ่มีพัดลมความเร็วต่ำ กลาง หรือสูง ซึ่งส่งผลต่อกำลังที่ระบุ และควรปรึกษาข้อมูลผู้ผลิตอีกครั้ง เนื่องจากระดับเสียงในความเร็วสูงอาจไม่ยอมรับได้

แบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศ

สิ่งเหล่านี้เป็นเวอร์ชันที่ใหญ่กว่าและซับซ้อนกว่าของเครื่องทำความร้อนเดี่ยว ดูรูป 2.12.4 มีหลายรูปแบบรวมถึงแบบติดตั้งบนหลังคา หรือแบบแนวนอน และอาจรวมพัดลมและตัวกรองด้วย มักถูกรวมเข้าในระบบอากาศท่อ

• ระแนงปรับอาจมีเพื่อปรับสัดส่วนอากาศบริสุทธิ์กับอากาศหมุนเวียน
• ชุดฮีตเตอร์หลายชุดอาจรวมเพื่อป้องกันน้ำค้างแข็ง

ผู้ผลิตเครื่องทำความร้อนเดี่ยวและแบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศมักระบุผลผลิตของเครื่องทำความร้อนเป็น kW ที่ความดันทำงาน จากข้อมูลนี้ อัตราการควบแน่นสามารถคำนวณได้โดยหารผลผลิตความร้อนด้วยเอนทัลปีของการระเหยของไอน้ำที่ความดันนี้ ผลลัพธ์จะอยู่ใน kg/s; การคูณด้วย 3 600 (วินาทีต่อชั่วโมง) จะให้ผลลัพธ์เป็น kg/h

ดังนั้นเครื่องทำความร้อนเดี่ยว 44 kW ที่ทำงานที่ 3.5 bar g (hfg = 2 120 kJ/kg จากตารางไอน้ำ) จะควบแน่น:

หมายเหตุ: ค่าคงที่ 3 600 รวมอยู่ในสูตรเพื่อให้อัตราการไหลเป็น kg/h แทน kg/s หากค่าจากผู้ผลิตไม่พร้อมใช้งานแต่ทราบข้อมูลต่อไปนี้:

• อัตราการไหลปริมาตรของอากาศที่ให้ความร้อน
• อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของอากาศที่ให้ความร้อน
• ความดันไอน้ำในเครื่องทำความร้อน จากนั้นอัตราการควบแน่นโดยประมาณสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ 2.12.3:

หมายเหตุ: ค่าคงที่ 3 600 ให้ผลลัพธ์เป็น kg/h แทน kg/s

ท่อแนวนอนที่ประกอบเป็นขดลวดโดยมีหลายแถวท่อซ้อนกัน และพึ่งพาการพาความร้อนตามธรรมชาติ จะมีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่อจำนวนท่อเพิ่มขึ้น เมื่อคำนวณอัตราการควบแน่นสำหรับขดลวดดังกล่าว ตัวเลขในตาราง 2.12.5 ควรคูณด้วยตัวคูณการปล่อยในตาราง 2.12.7 ท่อให้ความร้อนที่ติดตั้งในแนวตั้งก็มีประสิทธิภาพน้อยกว่าท่อแนวนอน อัตราการควบแน่นของท่อดังกล่าวสามารถกำหนดได้โดยคูณตัวเลขในตาราง 2.12.4 ด้วยตัวเลขในตาราง 2.12.6 ตาราง 2.12.7 ยังใช้เพื่อหาอัตราการควบแน่นในท่อแนวนอนที่ใช้ให้ความร้อนอากาศนิ่ง ในกรณีนี้ใช้สมการ 2.12.4:

ผลของอัตราการไหลอากาศ

เมื่อใช้พัดลมเพื่อเพิ่มการไหลของอากาศผ่านขดลวด อัตราการควบแน่นจะเพิ่มขึ้น ตัวเลขการปล่อยความร้อนจากท่อเหล็กเปลือย (ตาราง 2.12.4) สามารถใช้ได้เมื่อคูณตามตัวเลขในตาราง 2.12.5, 2.12.7 และ 2.12.8 ตามความเหมาะสม หากพิจารณาท่อครีบ ควรใช้ค่าการปล่อยความร้อนจากผู้ผลิตในทุกกรณี

ตัวอย่าง 2.12.2 คำนวณโหลดไอน้ำบนแบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศ

แบตเตอรีฮีตเตอร์อากาศยกระดับอุณหภูมิของอากาศที่ไหลที่ 2.3 m³/s จาก 18 °C เป็น 82 °C (ΔT = 64 °C) ด้วยไอน้ำที่ 3.0 bar g ในขดลวด