هل من المنطقي استخدام البخار فائق الحرارة لتسخين المبخر؟
Thread Content
كما هو مذكور في العنوان، في تصميم أبراج التقطير، يستخدم المستخدمون بخارًا فائق التسخين بضغط 0.55 ميجا باسكال لتسخين المبخر؛ وعادةً ما يكون هذا البخار مشبعًا. فهل هناك أي مشاكل في استخدام البخار فائق التسخين للتسخين؟ أرجو من الأساتذة توجيهي وإرشادي! شكرًا!أما بالنسبة للمشاكل الثلاثة الرئيسية، وهي استهلاك الطاقة ومؤشرات العملية وأمان المعدات، فإليكم التفاصيل:
1. استهلاك الطاقة: من السهل حسابه، بافتراض أن بخار الماء المسخن يمكن تحويله بالكامل إلى ماء مشبع في جهاز التبادل الحراري، وبذلك يمكن تلبية متطلبات الحمل الحراري للعملية. كمية البخار المستخدمة تساوي W=Q/r=1000*3600/2297=1567 كغ/ساعة. وهذا يعني أن الاستهلاك أقل بمقدار 1735-1567=168 كغ/ساعة، أي بنسبة 9.7%، وهو رقم قريب من 10%. ويمكن استخدام خطوط البخار والصمامات الحالية دون أي تغيير. . سمع القائد ذلك، وقال: يا للروعة، فقد انخفض الاستهلاك، كما يمكن إعادة استخدام صمامات الأنابيب، إنه أمر رائع (آسف يا سيدي، لأن الأمور السيئة عادةً ما تُذكر في النهاية). . 2. مؤشرات العملية: يجب عليك أولاً التحقق مما إذا كانت مساحة التبادل الحراري لـ E101 كافية، أي ما إذا كانت مساحة التبادل الحراري في E101 التي تستخدم بخارًا ساخنًا تلبي متطلبات العملية، وإلا فإن بيانات الاستهلاك المحسوبة في الخطوة 1 ستكون غير دقيقة. نظرًا لاستخدام البخار فوق الحرج، فإنه من الضروري أن ينقسم مسار التبريد في E101 إلى مرحلتين: مرحلة الحرارة الحسية ومرحلة الحرارة الكامنة. أي أن البخار لا يمكن أن يتكثف إلا بعد أن يفقد درجة الحرارة الفائقة البالغة 100 درجة مئوية، ويتم ذلك عبر عمليتين: تحول البخار من 262 درجة إلى 162 درجة، ثم تحوله إلى ماء عند 162 درجة. العملية الأولى تتعلق بالحرارة الحسية، بينما الثانية تتعلق بالحرارة الكامنة. وإذا ظل الحمل الحراري ثابتًا عند 1000 كيلوواط، فيتم حساب الحمل الحراري لكل مرحلة على حدة: بالنسبة للمرحلة الحسية، نأخذ متوسط القدرة الحرارية النوعية عند الضغط الثابت عند درجتي الحرارة 262 درجة و162 درجة، وهو Cp = (2.5129 + 2.1047) / 2 = 2.3088 كيلوجول/كجم·درجة مئوية. وبالتالي، يكون الحمل الحراري Q1 = W·Cp·ΔT = 1567 × 2.3088 × 100 = 361,842 كيلوجول/ساعة، أي ما يعادل 101 كيلوواط، وهو ما يمثل تقريبًا 10% من الحمل الحراري الإجمالي ; مرحلة الحرارة الخفية: بسيطة، 1000 – 101 = 899 كيلوواط، ويمكن خصم قيمة مرحلة الحرارة الظاهرة من هذا الرقم، وتشكل هذه المرحلة 90% من إجمالي الحمل الحراري. لحساب المساحة المطلوبة: ببساطة، تشكل مرحلة الحرارة الخفية 90% من المساحة الكلية، وبما أن هذه المرحلة مشابهة تمامًا للظروف التشغيلية الأصلية، فيمكن احتساب المساحة المطلوبة بنسبة 90%، أي أن F = 40 × 90% = 36 مترًا مربعًا. وبالتالي، من بين المساحة الكلية البالغة 40 مترًا مربعًا، يجب أن تكون مساحة مرحلة الحرارة الخفية 36 مترًا مربعًا، بينما تكون المساحة المتبقية 4 أمتار مربعة لمرحلة الحرارة الظاهرة. فهل يمكن ذلك لتحقيق عملية تحويل 262 وحدة بخارية إلى 162 وحدة بخارية؟ حساب مرحلة الحرارة الظاهرية ليس صعبًا أيضًا، ويتطلب تحديد معامل نقل الحرارة الكلي بعض الخبرة. بشكل عام، يكون معامل نقل الحرارة في الجانب الغازي منخفضًا جدًا، أما السبب في أن معامل نقل الحرارة الكلي لنموذج E101 كان مرتفعًا جدًا ويصل إلى 500، فهو بسيط؛ فمن ناحية يحدث تكثيف للبخار، ومن ناحية أخرى يحدث تبخر للمحلول المشبع، وكلا العمليتين تتضمنان تغيرات في الحالة الفيزيائية، مما يجعل معامل نقل الحرارة مرتفعًا جدًا. أما عند استخدام البخار المسخن، فإن معامل نقل الحرارة في جانب البخار المسخن يكون في حدود العشرات، ومن الصعب أن يتجاوز 100. وغالبًا ما يتحدد معامل نقل الحرارة الكلي بناءً على الجانب ذو القيمة المنخفضة، فلا فائدة من ارتفاع قيمة معامل نقل الحرارة في الجانب الذي يحدث فيه التبخر. يمكنك هنا استخدام قيمة K=100 في الحسابات، فهي مجرد تقديرات للتحقق من النتائج، ولا بأس إذا فشلت عملية المحاكاة، فهناك هامش خطأ مسموح به. الحمل الحراري معروف، وقد قدّرت معامل انتقال الحرارة الإجمالي بقيمة 100؛ وبالتالي يمكن حساب فرق درجات الحرارة المتبقي. هنا يجب استخدام متوسط الفرق اللوغاريتمي لدرجات الحرارة: فرق درجات الحرارة عند الطرف البارد هو 162-112 = 50 درجة مئوية، أما عند الطرف الساخن فهو 262-112 = 150 درجة مئوية. وبالتالي، يُحسب الفرق اللوغاريتمي لدرجات الحرارة على النحو التالي: T = (150-50)/ln(150/50) = 91 درجة مئوية. لاحظ أن فرق درجات الحرارة هذا له أهمية كبيرة، وسنتحدث عن ذلك لاحقًا. F=Q/(TxK)=101×1000/(91×100)=11 مترًا مربعًا، أي أنك بحاجة إلى مساحة تبادل حراري تبلغ 11 مترًا مربعًا لتلبية متطلبات المرحلة الحرارية الظاهرية. وبالتالي، فإن المساحة اللازمة لتلبية متطلبات استخدام البخار المسخن تكون 11 + 36 = 47 مترًا مربعًا. أما جهاز E101، فإن مساحته 40 مترًا مربعًا فقط، وهو ما يشكل مشكلة كبيرة بالنسبة لقسم التحسينات التقنية والقيادة. ما مدى الحمل الحراري الذي يمكن لهذا الجهاز E101 تحمله الآن؟ تم تبريد 11 مترًا مربعًا بالبخار المسخن، وبالتالي يمكن للـ 29 مترًا مربعًا المتبقية أن تتحمل حملاً حراريًا قدره Q2 = FxKxT = 29×500×50 = 725,000 واط = 725 كيلوواط. أي أن الجهاز E101، بعد استخدام البخار المسخن، يمكنه فقط تحمل حمل حراري أقصى قدره Qmax = 101 + 725 = 826 كيلوواط (حيث يُعتبر قيمة K تساوي 100 هي القيمة القصوى). وبالمقارنة مع المتطلبات التي تتطلب 1000 كيلوواط، فإن نسبة النقص تبلغ 1 – 826/1000 = 17.4%. بمعنى آخر، فإن كمية البخار المتبخر على جانب الوسط تكون 82% من القيمة الأقصى، وذلك في حالة أن قيمة K تساوي 100. وعادةً، من الصعب أن تتجاوز قيمة K هذا الرقم. . المدير يسألك بشكل لا إرادي: “هل يمكنك رفع درجة البخار؟” من قال إنه يجب عليك استخدام معدل تدفق 1567 كجم/ساعة فقط؟ هل يمكنك استخدام معدل تدفق 2000 كجم/ساعة؟ نحن في المصنع الفرعي قادرون على دفع تكلفة إنتاج طنين من البخار في الساعة؛ المال ليس مشكلة. . المدير حقاً شخص مزعج؛ يوبخك، لكن في النهاية يجب أن تتحمل المسؤولية. في مثل هذه الحالات، يمكنك تحديد حدود التشغيل للجهاز، أي تحديد الظروف القصوى التي يمكن أن يعمل فيها الجهاز. بالنسبة للجهاز E101، فإن الحالة التي يكون فيها البخار عند درجة حرارة 262 درجة مئوية ثم ينتقل إلى درجة حرارة 162 درجة مئوية ويتحول إلى ماء هي حالة طبيعية. أما الحالة غير الطبيعية (والمدير لا يهتم بالتكاليف، وهو يسأل عن هذه الحالة غير الطبيعية) فهي أن البخار الساخن لا يتكثف على الإطلاق، ويُستخدم الحرارة الكامنة فقط للتسخين. فكم كمية البخار المطلوبة في هذه الحالة؟ W=Q/(Cp·t)، حيث Q هو القيمة المعطاة وهي 1000 كيلوواط، أما الحرارة النوعية فهي 2.3088 كيلوجول/كجم·°م، فما قيمة الفرق في درجة الحرارة؟ لا أعرف، وإذا لم نكن نعرف، فيمكننا تحديد قيمة تقريبية. درجة الحرارة الزائدة للبخار يمكن أن تكون 100 درجة مئوية، وهذه هي أقصى فروق درجات الحرارة الممكنة، لأن البخار لا يتكثف. فكم من البخار المسخن يحتاجه الأمر؟ W=1000×3600/(2.3088×100)=15592 كجم/ساعة، وهذا يعادل استهلاك 15.6 طن/ساعة من البخار. . . هل هذه القيمة صحيحة؟ ؟ Q=WCpt هو معادلة حساب الطاقة الخاصة بك، لكن في نفس الوقت Q=FKT، وهذا يمثل الحد الأقصى لقيمة Q في المبادل الحراري. هناك قيمة قصوى للطاقة الحرارية Q (أقصى فرق درجات حرارة يمكن تحقيقه في E101 هو 262-112=150 درجة مئوية). إذًا، Qmax=40×150×100=600 كيلوواط، وهذا يمثل 60% فقط من الحمل الحراري الأصلي الذي يبلغ 1000 كيلوواط في E101. هذا ليس جيدًا، فالقيمة المحسوبة أقل بكثير من القيمة الأصلية. من الواضح أن كمية البخار التي تبلغ 15.6 طن/ساعة لا يمكن استخدامها بالكامل، لأن المبادل الحراري لا يستطيع استيعاب هذه الكمية. مساحة المبادل الحراري 40 مترًا مربعًا، وهذا يشبه الطريق السريع، حيث يتم تحديد السرعة القصوى بناءً على أضيق جزء في الطريق. الأجزاء الخلفية من الطريق لها أربعة مسارات، لكن في الجزء الأمامي الأضيق، هناك مساران فقط، وبالتالي فإن السرعة القصوى تكون 120 كم/ساعة. إذًا، حتى لو كان هناك ثمانية مسارات، فإن السرعة ستظل محدودة، ولا يمكن تجاوز هذا الحد… حتى لو زادت كمية البخار، فإن الحمل الحراري سيظل 60% فقط. . . في الواقع، يجب إجراء الحسابات بشكل دقيق باستخدام طريقة التجربة والخطأ بعد تحديد قيمة WCpt = FKT، وذلك لأن هناك متغيرين هما كمية البخار المستهلكة W وفرق درجة الحرارة t (حيث t هو انخفاض درجة حرارة البخار المسخن، وT هو فرق درجة الحرارة المتوسط اللوغاريتمي في المبادل الحراري؛ وعند تحديد قيمة t، يتم تحديد قيمة T). لذلك، من الضروري استخدام طريقة التجربة والخطأ لإجراء الحسابات (كيف يمكن حل معادلة بها متغيران مجهولان؟) ما مستوىك في الرياضيات؟ )، لكن لا حاجة لاستخدام طريقة التجربة والخطأ المعقدة؛ فبغض النظر عن الظروف التي يعمل فيها البخار، سواء كان يتكثف أم لا، فإن جهاز E101 الخاص بك لا يستطيع تلبية متطلبات الأداء الأصلية البالغة 1000 كيلوواط. أقصى حمل حراري يمكن للجهاز تحمله عندما يتكثف البخار المسخن هو 82% من القيمة الأصلية، أما عندما لا يتكثف البخار المسخن، فإن الحد الأقصى هو 60%. هذه هي القيم القصوى في الحسابات الفنية، وهي أيضًا الإجابة التي يريد القادة منك تقديمها. عليك أن تخبر المسؤول الذي لا يهتم بالمال بأن منح 100 طن/ساعة من البخار لن يكون مفيدًا، فمساحة E101 موجودة هناك، وقد تم بناء مسارين فقط على الطريق السريع، وهذا لا يكفي! حتى لو منحك القائد سيارة بي إم دبليو X5، ألن تضطر في الطرق الريفية المليئة بالكاميرات والتي يحد فيها السرعة بـ 40 كم/ساعة مع وجود نقاط قياس للسرعة، إلى القيادة بسرعة 40 كم/ساعة فقط؟ (شعر القائد بقلق شديد؛ لقد أهديت للعشيقة التي تعيش في فيلا في الضواحي سيارة من طراز X5، فهل رأى هذا الصبي ذلك؟) ارجع وتعامل معه! ! تصاعد التوتر في القصة! الآن، أصبح من الواضح لماذا يوجد في الشروط المعطاة حمل حراري أقصى وهو Qmax=1000 كيلوواط، أليس كذلك؟ ؟ غالبًا ما تكون بيانات المبادلات الحرارية أثناء التشغيل الفعلي غير قادرة على الوصول إلى Qmax، وذلك بسبب وجود هامش تصميمي. بمعنى آخر، مهمتك الآن هي استغلال هذا الهامش، هل فهمت؟ يا إلهي، المواد التي نقوم بتسخينها هي مواد حساسة لدرجة الحرارة، لا يمكن أن يكون هناك فرق كبير في درجة الحرارة. . . . . . يمكن إضافة تفاصيل للحبكة. . . . . . ٣. سلامة المعدات: المسألة الأخيرة، فالفرق الحراري الفعلي في جهاز E101 هو ٥٠ درجة مئوية فقط. بالنسبة لمبادلات الحرارة التقليدية من نوع الأنابيب والغلاف، عندما يتجاوز الفرق الحراري بين الطرفين الساخن والبارد ٦٠ درجة مئوية، يلزم إضافة مفاصل تمدد لحل مشكلة تمدد المعدات. أما جهاز E101 الحالي فلا يحتوي على مفاصل تمدد. وفي حال استخدام بخار مغلي، حتى وإن كانت مادة جهاز E101 جيدة ولا مشكلة في تحملها لدرجة حرارة تصل إلى ٢٦٢ درجة مئوية، فإن عدم وجود مفاصل تمدد يجعله غير قادر على تحمل فرق حراري بين الطرفين الساخن والبارد يبلغ ١٠٠ درجة مئوية (١٥٠ درجة مئوية للطرف الساخن و٥٠ درجة مئوية للطرف البارد)؛ إن الإجهاد الناتج عن هذا الفرق الحراري مرعب للغاية! الأجهزة تشكل مخاطر هائلة! ! إذا لم تكن على دراية بإجهادات الفروق الحرارية، فيمكنك استشارة صديق متخصص في المعدات؛ أما إذا كنت في المصنع، فيجب عليك استفسار الفنيين عن العواقب الوخيمة التي قد يسببها فرق حراري قدره 100 درجة مئوية لجهاز E101. . أوه، مبدل الحرارة لدينا هو نوع حديث ومتطور للغاية، لا حاجة إلى أجزاء مثل مشابك التمدد أو الأغلفة القديمة. . . . . . أمان الجهاز لا مشكلة فيه، يمكن حذف البند الثالث، ويمكن أيضًا تقليل محتوى القصة. . . . . . لقد حسبنا وكتبنا، وتحدثنا كثيرًا عن العملية؛ ألا يجب عليك الآن أن تقدم الاستنتاجات والتوصيات؟ ؟ عملية الحساب كافية لكي تستنتج أن استخدام البخار فائق الحرارة لا يمكن أن يلبي متطلبات العملية الأصلية؛ بمعنى آخر، سيؤدي ذلك إلى تشغيل النظام عند حمل أقل من المطلوب، كما أن هناك مخاطر كبيرة على المعدات نفسها، إذ إن الإجهاد الناتج عن الانحراف الكبير في فرق درجات الحرارة عن التصميم الأصلي من شأنه بالتأكيد أن يتسبب في تلف E101. . . القائد بوجه متجهم؟ ؟ ؟ ؟ لا تتعجل، يجب أن أقدم النصيحة. . . . . إذا أردنا استخدام البخار الساخن مسبقًا، فإن الجهاز E101 الحالي يجب استبداله نظرًا لعدم كفاية مساحة تبادل الحرارة فيه؛ وهذا يتطلب إعادة التصميم والتصنيع، وهو أمر مكلف للغاية. بالتأكيد سيقول المديرون إن هذا الأمر يستغرق وقتًا وجهدًا كبيرين، فهل هناك طريقة أبسط؟ نعم، قبل دخول البخار إلى E101، يتم إضافة جهاز تبريد وترطيب؛ حيث يتم إشباع البخار الزائد بالرطوبة. هناك العديد من الشركات المنتجة لأجهزة التبريد والترطيب، ويمكن شراء جهاز واحد منها بسهولة. أما بالنسبة للماء اللازم لعملية التبريد، فيمكن الحصول عليه من مياه التكثيف الناتجة في E101. . . . . بدأت عينا القائد تلمعان؛ هذا الشاب يتحدث بشكل صائب، سنفعل ما يقوله. في نهاية العام، سيُمنح المصنع تقييماً ممتازاً، وستضاعف مكافآته. وبعد عامين، سنرقيه ليصبح مديراً؛ مستواه التقني جيد للغاية. حديثه منطقي ومبني على أسس سليمة، فهو ليس من ذلك النوع من الشباب الذين يتحدثون دون تفكير، ولا يملكون بيانات أو اقتراحات أو حلول عملية. إذا أظهر كفاءة في المستقبل، يمكن أن يكون مساعدي~~~~~~ هذا هو السيناريو المفترض. . . . . . الأمر الأكثر أهمية في المسرحية التمثيلية هو أنك، كبطل القصة، يجب عليك أن تقوم بالحسابات بنفسك وتحديد الأرقام، حتى تتمكن من فهم جميع الاحتمالات. كيف يمكنك معرفة أن مساحة التبادل الحراري غير كافية؟ وكيف يمكنك معرفة أن الفرق في درجة الحرارة يصل إلى 91 درجة مئوية؟ الخبرة التي يمكن للخبراء أن يمنحوك إياها هي: هناك مرحلة حرارة حسية للبخار المفرط الحرارة في E101، وهو ما يقلل من مساحة المرحلة الحرارية الكامنة؛ وقد لا تكون مساحة E101 كافية لذلك. كما أن البخار المفرط الحرارة يزيد من الفرق في درجات الحرارة، مما قد يعرض المعدات لمخاطر كبيرة. أما بالنسبة لكلمتي "ربما" و"محتمل"، فهما طريقة الخبراء في إخبارك بهدوء أنه حتى هم لا يعرفون النتيجة دون إجراء الحسابات اللازمة؛ وأنت من يجب عليه إجراء هذه الحسابات بنفسك، فالخبراء لن يقوموا بها نيابة عنك. . لماذا المساحة غير كافية؟ ؟ ما هي نقاط الخطر الكبيرة؟ ؟ أنت لا تُحتسب؛ فكلام الخبراء ستنساه بعد ثلاثة أيام، وحتى لو لم تنسه في تلك المدة، فبعد ثلاثمائة يوم ستنساه بالتأكيد. وعندما يسألك المديرون أو موظفو قسم التحسينات التقنية، ستكون في حيرة من أمرك (لا تعتقد أن المديرين وموظفي قسم التحسينات التقنية أغبياء؛ إذا لم تكن على دراية بالإجابات، فسوف تشعر بالارتباك وسيتضح أمرك بالتأكيد!). وإذا لم تستطع تقديم البيانات، فلن يكون أمامك خيار سوى القول: “زميلي هو من قال ذلك، لماذا لا تسألونه؟” ؟ بالتأكيد سيطلب منك القائد المغادرة في غضون ثلاث ثوانٍ... أما بالنسبة لسبب كون صاحب المشاركة مبتدئًا، فالأمر بسيط للغاية؛ فهو لم يذكر سوى ضغط البخار المشبع، دون تحديد ما إذا كان ذلك ضغطًا نسبيًا أم مطلقًا، كما لم يذكر درجة الحرارة الزائدة لا داعي للحديث، ما هي معايير مبدل الحرارة؟ ما هو المساحة؟ ما هو حجم الحمل الحراري أثناء التشغيل؟ لا أكتب، ما هي أشكال مبدلات الحرارة؟ الله وحده يعلم، هل المواد تتحمل فروق درجات الحرارة العالية؟ لا أعرف. . . . . بما أنها استفسار، يجب عليك أولاً أن تتعلم كيفية وصف المشكلة بوضوح، وأن تكون أكثر جدية. كيف يفكر المبتدئ في هذه المشكلة؟ ما هي العقبات التي تواجهك أثناء التفكير فيها؟ هل لم يتعلم مبادئ الكيمياء الصناعية، أم أنه لا يعرف كيف يحسب، أو ربما يكون كسولًا ولا يريد التحسب؟ في كل الأحوال، يطلب من المعلمين أن يقدموا له بعض النصائح. . . . . إذا لم تكن المشكلة واضحة ولا الأفكار منظمة، فكيف يمكن إنجاز العمل؟ الطعام، سيء جداً. . . . أو بمعنى آخر، كسول، كسول جدًا. . . . لا تكن كسولًا، قم بالحساب؛ بهذه الطريقة ستصبح خبيرًا. لن تنسى ذلك طوال 300 يوم. عملية الحساب صعبة للغاية، وفهم معاملات المبادلات الحرارية قد يكون أمرًا أكثر صعوبة. . . . . . . بالطبع، يتطلب هذا النوع من الحسابات خبرة، وعملية اكتساب هذه الخبرة، أي عملية الحساب نفسها، هي عملية التحول من مبتدئ إلى خبير. فلا أحد يولد خبيرًا. . لدي عندي كتاب ملاحظات قراءة أعده معلم اللغة الصينية منذ بضع سنوات لإحدى الطالبات في الصف السابع، أهديه لصاحب المنشور: النص الأصلي باللغة القديمة – “كونغ تسونغزي • جو وي”: يقولون: “يو، تانغ، وين، وو، ودوق تشو، كانوا يجتهدون في التفكير والعمل الشاق؛ بعضهم كسر ذراعيه أثناء المثابرة، وبعضهم أصيب بالصلع وانحنى ظهره، لكنهم ظلوا أشخاصًا عظماء.” ” ملاحظة المعلم – "التفكير الدؤوب" يتطلب بالطبع "العمل الجسدي"، إنه أمر شاق للغاية، وإلا كيف يمكن أن يصبح المرء "قديسًا"؟