Tiêu thụ Hơi của Đường ống và Bộ sưởi Không khí

Hơi sẽ ngưng tụ và tỏa entanpi bay hơi trên thành bất kỳ đường ống nào ở nhiệt độ thấp hơn. Thường không khả thi hoặc cần thiết để tính toán chính xác lượng tiêu thụ hơi. Hướng dẫn này cho phép đưa ra các ước lượng thỏa đáng cho hầu hết các mục đích thực tế.

Hơi sẽ ngưng tụ và tỏa entanpi bay hơi trên thành bất kỳ đường ống nào tiếp xúc với không khí xung quanh. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như đường ống hơi chính, truyền nhiệt được giảm thiểu bằng cách cách nhiệt ống. Trong các trường hợp khác như cụm sưởi không khí, truyền nhiệt có thể được thúc đẩy bằng cách sử dụng cánh tản nhiệt bên ngoài ống. Thường không khả thi hoặc cần thiết để tính toán chính xác lượng tiêu thụ hơi. Các ví dụ trong Mô-đun này cho phép đưa ra đủ ước lượng cho hầu hết các mục đích thực tế.

Đường ống hơi chính

Trong bất kỳ hệ thống hơi nào, sự ngưng tụ của hơi do bản thân đường ống gây ra phải được tính đến. Tốc độ ngưng tụ sẽ cao nhất trong giai đoạn khởi động, và chính điều này nên quyết định kích thước bẫy hơi được sử dụng cho xả đường ống chính. Khi đường ống hơi chính đang sử dụng, cũng sẽ có tổn thất nhiệt nhỏ hơn (nhưng liên tục) từ đường ống. Cả hai thành phần này có thể được tính là ‘tải trọng khởi động’ và ‘tải trọng vận hành’.

Tải trọng khởi động

Ban đầu sẽ cần nhiệt để đưa đường ống lạnh lên nhiệt độ làm việc. Đây là thực hành tốt để làm chậm vì lý do an toàn, đường ống cũng được hưởng lợi từ giảm ứng suất nhiệt và cơ học. Điều này sẽ dẫn đến ít rò rỉ hơn, chi phí bảo trì thấp hơn và tuổi thọ đường ống dài hơn. Khởi động chậm có thể đạt được bằng cách lắp van nhỏ song song với van cô lập chính, (Hình 2.12.1). Van có thể được định cỡ tùy thuộc vào thời gian khởi động cần thiết. Tự động hóa van khởi động mở chậm trên đường ống lớn có thể cải thiện an toàn. Một van cô lập chính đơn lẻ có thể được sử dụng thành công, nhưng, vì nó sẽ được định cỡ để đáp ứng yêu cầu lưu lượng thiết kế đường ống, nó sẽ quá lớn trong giai đoạn khởi động và do đó sẽ hoạt động rất gần với đế tại thời điểm này. Bộ tách đặt trước van sẽ đảm bảo hơi đi qua là khô, bảo vệ bộ phận bên trong khỏi mòn sớm. Thời gian khởi động bất kỳ đường ống hơi chính nên dài nhất có thể trong giới hạn chấp nhận được để giảm thiểu ứng suất cơ học đường ống, tối ưu hóa an toàn và giảm tải trọng khởi động.

Nếu có thể dùng 10 phút thay vì 5 phút, lưu lượng hơi ban đầu sẽ giảm một nửa. Thời gian khởi động 20 phút sẽ giảm tải trọng khởi động nhiều hơn nữa.

Lưu lượng hơi cần thiết để đưa hệ thống đường ống lên nhiệt độ vận hành là hàm của khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu, nhiệt độ tăng, entanpi bay hơi của hơi sử dụng và thời gian cho phép. Điều này có thể được biểu thị bằng Phương trình 2.12.1:

Ví dụ 2.12.1 Tổn thất nhiệt từ đường ống hơi

Một hệ thống gồm 100 m đường ống chính thép carbon 100 mm, bao gồm 9 cặp mặt bích PN40, và một van cô lập. cp cho thép = 0,49 kJ/kg °C Nhiệt độ môi trường/khởi đầu là 20°C và áp suất hơi là 14,0 bar g, 198°C từ bảng hơi (xem Bảng 2.12.2).

Bảng 2.12.2 Trích từ bảng hơi

Xác định:

Phần 1. Tốc độ ngưng tụ khởi động cho thời gian khởi động 30 phút.

Phần 2. Tải trọng vận hành nếu độ dày cách nhiệt là 75 mm. Phần 1 Tính tải trọng khởi động

Lưu ý: Tốc độ ngưng tụ này sẽ được sử dụng để chọn van điều khiển khởi động phù hợp.

Khi chọn bẫy hơi, tốc độ ngưng tụ này nên được nhân với hệ số hai để bù cho áp suất hơi thấp hơn sẽ xảy ra cho đến khi khởi động hoàn thành, sau đó chia cho số bẫy hơi lắp để có dung lượng cần thiết của mỗi bẫy hơi.

Bảng 2.12.3 Trọng lượng điển hình của ống thép, mặt bích và bu lông, và van cô lập tính bằng kg

Phần 2 Tải trọng vận hành Hơi sẽ ngưng tụ khi nhiệt bị mất từ đường ống ra môi trường: Tốc độ ngưng tụ phụ thuộc vào các yếu tố sau:

• Nhiệt độ hơi.
• Nhiệt độ môi trường.
• Hiệu quả cách nhiệt. Bảng 2.12.4 cho tốc độ phát xạ nhiệt điển hình dự kiến từ ống thép không cách nhiệt trong không khí tĩnh ở 20°C.

Bảng 2.12.4 Phát xạ nhiệt từ ống thép không cách nhiệt tiếp xúc tự do trong không khí ở 20 °C (W/m)

Đường ống phân phối thường sẽ được cách nhiệt, và rõ ràng là có lợi nếu mặt bích và các thiết bị đường ống khác cũng được cách nhiệt. Nếu đường ống có mặt bích, mỗi cặp mặt bích sẽ có diện tích bề mặt xấp xỉ 300 mm đường ống cùng kích thước.

Tốc độ truyền nhiệt tăng lên khi bề mặt truyền nhiệt chịu tác động của dòng không khí. Trong các trường hợp này, hệ số nhân, như thể hiện trong Bảng 2.12.5, nên được xem xét. Nếu ống cánh hoặc ống gợn sóng được lắp, thì số liệu phát xạ nhiệt của nhà sản xuất nên luôn được sử dụng. Về mặt hàng ngày, vận tốc không khí lên đến 4 hoặc 5 m/s (khoảng 10 mph) đại diện cho gió nhẹ, từ 5 đến 10 m/s (khoảng 10 - 20 mph) là gió mạnh. Vận tốc ống dẫn không khí điển hình khoảng 3 m/s, để so sánh.

Bảng 2.12.5 Tăng phát xạ xấp xỉ do chuyển động không khí qua ống có độ phát xạ cao

Lưu ý: Số liệu chính xác khó xác định, vì nhiều yếu tố liên quan. Các hệ số trong Bảng 2.12.5 được suy ra và cho chỉ dẫn sơ bộ về mức nhân số liệu trong Bảng 2.12.4. Ống chịu chuyển động không khí lên khoảng 1 m/s có thể coi như ở không khí tĩnh, và tổn thất nhiệt khá ổn định đến điểm này. Như hướng dẫn, ống sơn sẽ có độ phát xạ cao, thép oxy hóa có độ phát xạ trung bình, và thép không gỉ đánh bóng có độ phát xạ thấp.

Giảm tổn thất nhiệt sẽ phụ thuộc vào loại và độ dày vật liệu cách nhiệt sử dụng, và tình trạng chung của nó. Cho hầu hết các mục đích thực tế, việc cách nhiệt đường ống hơi sẽ giảm phát xạ nhiệt trong Bảng 2.12.4 theo hệ số cách nhiệt (f) thể hiện trong Bảng 2.12.6. Lưu ý rằng các hệ số này chỉ là giá trị danh nghĩa. Đối với tính toán cụ thể, hãy tham khảo nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt.

Bảng 2.12.6 Hệ số cách nhiệt ‘f’

Tổn thất nhiệt từ đường ống cách nhiệt có thể được biểu thị như sau trong Phương trình 2.12.2:

Xác định chiều dài, L: Giả sử dự phòng tương đương 0,3 m cho mỗi cặp mặt bích, và 1,2 m cho mỗi van chặn, tổng chiều dài hiệu dụng (L) của đường ống hơi chính trong ví dụ này là:

Xác định tốc độ phát xạ nhiệt, Q̇: Nhiệt độ hơi ở 14,0 bar kế là 198 °C và, với nhiệt độ môi trường 20 °C, chênh lệch nhiệt độ là 178 °C.

Từ Bảng 2.12.4: Tổn thất nhiệt cho ống 100 mm ≈ 1 374 W / m Xác định hệ số cách nhiệt, f: Hệ số cách nhiệt cho cách nhiệt 75 mm trên ống 100 mm ở 14 bar g (từ Bảng 2.12.6) xấp xỉ 0,07.

Như có thể thấy từ ví dụ này, tải trọng khởi động 161 kg/h (xem Ví dụ 2.12.1, Phần 1) lớn hơn đáng kể so với tải trọng vận hành 18,3 kg/h, và, nói chung, bẫy hơi được định cỡ theo nhiệm vụ khởi động sẽ tự động đáp ứng tải trọng vận hành.

Nếu đường ống hơi ở trên không được cách nhiệt hoặc cách nhiệt bị hư, tải trọng vận hành sẽ lớn hơn khoảng mười bốn lần. Với ống không cách nhiệt, hoặc ống cách nhiệt kém, luôn so sánh tải trọng vận hành và khởi động. Tải trọng cao hơn nên được sử dụng để định cỡ bẫy hơi, như mô tả ở trên. Lý tưởng nhất, chất lượng cách nhiệt nên được cải thiện. Lưu ý: Khi tính toán tổn thất khởi động, nên xem xét thông số kỹ thuật đường ống đúng, vì trọng lượng ống có thể khác nhau giữa các tiêu chuẩn ống khác nhau.

Mật độ và nhiệt dung riêng của không khí thay đổi nhẹ theo nhiệt độ. Cho hầu hết các mục đích thực tế, khi gia nhiệt không khí cho HVAC và ứng dụng quá trình với phương pháp đề cập dưới đây, giá trị danh nghĩa 1,3 kJ/m³ °C có thể được sử dụng cho nhiệt dung riêng và 1,3 kg/m3 cho mật độ.

Ống gia nhiệt không khí

Không khí nóng được yêu cầu cho nhiều ứng dụng bao gồm:

• Sưởi ấm không gian.
• Thông gió.
• Ứng dụng quá trình.

Thiết bị cần thiết thường bao gồm ma trận ống chứa hơi, lắp đặt qua dòng không khí. Khi không khí đi qua các ống, nhiệt được truyền từ hơi sang không khí. Thường, để giảm thiểu kích thước và khối lượng thiết bị, cho phép lắp đặt trong không gian hẹp với giá đỡ giảm, và để giới hạn chi phí, tốc độ truyền nhiệt từ ống sang không khí được tăng lên bằng cách thêm cánh tản nhiệt vào thành ngoài của ống.

Điều này có tác dụng tăng diện tích truyền nhiệt có sẵn, và do đó giảm lượng đường ống cần thiết. Hình 2.12.2 cho thấy ví dụ về ống cánh. Về tổng thể, bộ sưởi không khí có thể được chia thành hai loại:

• Bộ sưởi đơn nguyên.
• Cụm sưởi không khí.

Bộ sưởi đơn nguyên

Chúng bao gồm cụm sưởi và quạt trong một vỏ nhỏ gọn (Hình 2.12.3). Môi trường sơ cấp (hơi) ngưng tụ trong cụm sưởi, và không khí được làm nóng khi thổi qua các cuộn dây và được thải vào không gian. Bộ sưởi đơn nguyên có thể được sắp xếp để có ống dẫn không khí tươi, nhưng thường hoạt động với không khí tuần hoàn.

Không khí nóng có thể được thải theo chiều dọc xuống hoặc ngang. Áp suất hơi, chiều cao lắp đặt, loại thải và nhiệt độ ra đều liên quan lẫn nhau và dữ liệu nhà sản xuất nên được tham khảo trước khi chọn bộ sưởi đơn nguyên. Hầu hết các đơn vị có sẵn với quạt tốc độ thấp, trung bình hoặc cao ảnh hưởng đến công suất danh định, và một lần nữa dữ liệu nhà sản xuất nên được tham khảo, vì mức tiếng ồn ở tốc độ cao có thể không chấp nhận được.

Cụm sưởi không khí

Đây thực sự là phiên bản lớn hơn và tinh vi hơn của bộ sưởi đơn nguyên, xem Hình 2.12.4. Chúng có nhiều cấu hình bao gồm lắp mái, hoặc loại ngang, và quạt và bộ lọc cũng có thể được tích hợp. Chúng thường được tích hợp vào hệ thống ống dẫn không khí.

• Cửa chớp điều chỉnh có thể được cung cấp để điều chỉnh tỷ lệ không khí tươi và tuần hoàn.
• Nhiều dải sưởi có thể được tích hợp để cung cấp bảo vệ chống đóng băng.

Nhà sản xuất bộ sưởi đơn nguyên và cụm sưởi không khí thường cung cấp đầu ra của bộ sưởi tính bằng kW ở áp suất làm việc. Từ đó, tốc độ ngưng tụ có thể được tính bằng cách chia đầu ra nhiệt cho entanpi bay hơi của hơi ở áp suất này. Kết quả sẽ tính bằng kg/s; nhân với 3 600 (giây trong một giờ) sẽ cho kết quả tính bằng kg/h.

Do đó bộ sưởi đơn nguyên 44 kW hoạt động ở 3,5 bar g (hfg = 2 120 kJ/kg từ bảng hơi) sẽ ngưng tụ:

Lưu ý: Hằng số 3 600 được đưa vào công thức để cho lưu lượng tính bằng kg/h thay vì kg/s. Nếu số liệu nhà sản xuất không có sẵn nhưng biết những điều sau:

• Lưu lượng thể tích không khí đang được gia nhiệt.
• Nhiệt độ tăng của không khí đang được gia nhiệt.
• Áp suất hơi trong bộ sưởi. Thì tốc độ ngưng tụ xấp xỉ có thể được tính bằng Phương trình 2.12.3:

Lưu ý: Hằng số 3 600 cho kết quả tính bằng kg/h thay vì kg/s.

Ống ngang lắp thành cuộn dây với nhiều hàng ống chồng lên nhau, và dựa vào đối lưu tự nhiên, kém hiệu quả hơn khi số lượng ống tăng. Khi tính tốc độ ngưng tụ cho các cuộn dây như vậy, số liệu trong Bảng 2.12.5 nên được nhân với hệ số phát xạ trong Bảng 2.12.7. Ống gia nhiệt lắp dọc cũng kém hiệu quả hơn ống ngang. Tốc độ ngưng tụ của các ống như vậy có thể được xác định bằng cách nhân số liệu trong Bảng 2.12.4 với các hệ số trong Bảng 2.12.6. Bảng 2.12.7 cũng có thể được sử dụng để tìm tốc độ ngưng tụ trong ống ngang dùng để gia nhiệt không khí tĩnh. Trong trường hợp này sử dụng Phương trình 2.12.4:

Ảnh hưởng của lưu lượng không khí

Khi quạt được sử dụng để tăng dòng không khí qua cuộn ống, tốc độ ngưng tụ sẽ tăng. Số liệu phát xạ nhiệt từ ống thép trần (Bảng 2.12.4), có thể được sử dụng khi nhân theo các hệ số trong Bảng 2.12.5, 2.12.7 và 2.12.8 khi phù hợp. Nếu ống cánh đang được xem xét, thì số liệu phát xạ nhiệt của nhà sản xuất nên được sử dụng trong mọi trường hợp.

Ví dụ 2.12.2 Tính tải trọng hơi trên cụm sưởi không khí

Cụm sưởi không khí nâng nhiệt độ không khí chảy ở 2,3 m³/s từ 18 °C lên 82 °C (ΔT = 64 °C) với hơi ở 3,0 bar g trong cuộn dây.