در این مقاله به سیستم تک لوله ای بخار پرداخته شده است. خواص ترمودینامیکی بخار، آن را به وسیله ای عالی برای انتقال حرارت از یک منبع به نقطه ای جهت استفاده تبدیل می کند. در جایی که از بخار برای گرمایش یک فضا استفاده می شود، از یک دیگ بخار به عنوان منبعی از حرارت بهره برده می شود.

مقدمات گرمایش با بخار

دیگ بخار تولید بخار می کند که از طریق سیستم های لوله کشی مناسب به واحدهای گرمایشی انتقال می یابد. سیستم های لوله کشی متعددی مورد استفاده قرار می گیرد که ساده ترین آنها، سیستم تک لوله ای است که در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم برای تشریح اصول مرتبط با عملیات سیستم های گرمایش با بخار به کار می رود.

steam 4 1 - محاسبات بخار در تاسیسات 4

عملکرد سیستم

قبل از قرار گرفتن در چرخه عملیات، سیستم تا خط آب دیگ بخار با آب پر شده است. این سطح آب تا پیش از اینکه دیگ بخار شروع به تولید بخار کند، در دیگ و مقطع عمودی خط برگشت یکسان خواهد بود. فضای بخار دیگ و سیستم با هوا پر می شود و هوای اضافی پس از حرارت دهی آب دیگ بخار خارج می شود. این هوا با جریان بخار ورودی به داخل رادیاتورها تداخل دارد. شیرهای هواکش ترموستاتیک در هر رادیاتور و انتهای منبع اصلی قرار می گیرند تا اجازه دهند هوا توسط بخاری که سیستم را پر می کند پاکسازی شود. این شیرها معمولا با رسیدن بخار داغ به آنها باز و بسته می شوند.

بخار وارد رادیاتورها می شود و درحین دادن حرارت خود به فضاهایی که آنها نصب شده اند، میعان می شود. این میعانات توسط همان لوله ای که بخار را به رادیاتورها می رساند به منبع اصلی باز می گردد. در سیستمی که شرح داده شد، بخار و میعانات انباشته شده در جهت یکسانی به سمت منبع اصلی و انتهایش فرو می ریزند. در آنجا به داخل مقطع عمودی خط برگشت اصلی تخلیه می شوند.

نقطه ای که بالاترین فشار را در سیستم بخار دارد داخل دیگ بخار است، جایی که بخار تولید می شود. فشار در رادیاتورهای سیستم با میعان بخار داخل آنها رو به کاهش می رود. همین تفاوت فشار است که باعث می شود بخار از دیگ به رادیاتورها جریان یابد. بخار در داخل سیستم با سرعتی وابسته به تفاوت فشار موجود بین دیگ بخار و انتهای لوله های بخار جریان می یابد. این تفاوت فشار موجود برای غلبه بر اصطکاک بخار جریان یافته در لوله به کار می رود و به آن افت فشار سیستم گویند. میعانات جاری در لوله بازگشت به سمت دیگ نیز با افت فشار لوله مواجه می شوند و برای انتقال این مایعات نیاز به انرژی وجود دارد.

انرژی مورد نیاز برای غلبه بر این افت فشارها از طریق فشار بخار تولید شده توسط دیگ بخار فراهم می شود. میزان فشار درون فضای بخار نسبت به میزان آن در انتهای لوله های بخار به مقداری معادل افت فشار کل سیستم بیشتر خواهد بود. با رجوع به شکل 1 می توان مشاهده کرد که این موضوع چگونه روی سطوح آب مربوطه در دیگ بخار و در مقطع عمود لوله بازگشت سیستم اثر می گذارد. فشار بالاتر در دیگ باعث می شود آب در این لوله بالا برود، که در معرض فشار پایین تر موجود در انتهای سیستم قرار خواهد گرفت. ستون آب تا زمانی که وزنش تفاوت فشار موجود بین این دو نقطه جبران را جبران کند بالا می رود.

آنطور که شکل نشان می دهد، هدی که توسط ارتفاع این ستون بوجود می آید شامل افت فشار سیستم بخار و هد استاتیکی که نیاز به غلبه بر افت فشار داخل خط بازگشت میعانات دارد است.

روش های استانداردی در طراحی سیستم بخار پایه گذاری شده که مقدارهای عملی مشخصی برای افت فشار سیستم معین کرده است. این روش ها باعث می شوند همانطور که در شکل سیستم قابل مشاهده است مقدارهای حداقلی برای بُعد “A” مقرر شود. این بُعد نشان دهنده ارتفاع انتهای منبع اصلی بخار در بالای خط آب دیگ بخار است. این ارتفاع شامل افت فشار کل سیستم بعلاوه یک ضریب ایمنی برای اطمینان از اینکه سرریز شدن در منبع اصلی اتفاق نخواهد افتاد است. برای سیستم های کوچکی که اتلاف حرارت کمتر از 100000 BTUH (یکای انگلیسی حرارت) دارند، اندازه لوله کشی بر اساس یک هشتم psi افت فشار برای لوله های بخار و میعانات است. ارتفاع بُعد “A” به شکل زیر محاسبه می شود:

افت فشار سیستم (psi 1/8) = 3.5 اینچ آب

هد استاتیکی (1/8 psi) = 3.5 اینچ آب

ضریب اطمینان (دو برابر هد استاتیکی) = 7 اینچ آب

———————————————

ارتفاع کل   =   14 اینچ آب

برای سیستم های با این اندازه، متداول است که حداقل فاصله برای بُعد “A” را کمتر از 18 اینچ در نظر نگیریم.

برای سیستم های با اتلاف حرارت بیش از 100000 BTUH، فرض کنید اندازه لوله بخار برای افت فشار به میزان یک دوم psi و لوله بازگشت برای 4 اینچ ستون آب طراحی شده باشد. محاسبه بُعد “A” به شکل زیر است:

افت فشار سیستم (یک دوم psi)= 14 اینچ آب

هد استاتیکی  = 4 اینچ آب

ضریب اطمینان (دو برابر هد استاتیکی) = 8 اینچ آب

———————————————

ارتفاع کل    =   26 اینچ آب

 

روش استاندارد برای سیستمی بر پایه افت فشار یک دوم psi، این است که حداقل اندازه برای بُعد “A” را کمتر از 28 اینچ در نظر نگیریم.

دسترسی به آموزش جامع طراحی و محاسبات سیستمهای بخار

  • منبع:
    • کتاب اشری (FUNDAMENTAL)
    • کتاب اشری (سیستم ها)
    • مقالات شرکت B&G