سایزینگ لوله های سیستم بخار برای تاسیسات صنعتی

لوله کشی توزیع بخار، انرژی حرارتی را در تاسیسات صنعتی منتقل می کند تا برای نیازهای فرآیند، استریلیزاسیون و کنترل زیست محیطی مورد استفاده قرار گیرد. اندازه مناسب این لوله ها برای عملکرد کلی، ایمنی و اطمینان سیستم های بخار ضروری است. در بدترین حالت، لوله های با اندازه نامناسب می توانند فجایع مصیبت باری به بار بیاورند و سبب آسیب به افراد و تجهیزات و حتی ساختمان شوند. در خوشبینانه ترین وضعیت، لوله ها ممکن است سر و صدا داشته باشند، مرتب خراب شوند یا درست کار نکنند.

تاسیسات نیوز- مهندسی نیره شمشیری (ترجمه) :این مقاله راهنمایی هایی برای سایزکردن لوله های سیستم توزیع بخار، روندهای عمومی نصب و تله های سیستم ارایه می کند. تاسیسات صنعتی – واحدهای تولیدی، واحدهای فرآوری و مخصوصا آزمایشگاه ها- تمرکز اصلی هستند، اگرچه این دستورالعمل ها برای سایر کاربری های بخار، مانند تاسیسات صنعتی و تجاری نیز مناسب است.

سیستم های لوله کشی بخار از منبع بخار، بازیابی کندانس مایع، بازیابی کندانس دوفازی و لوله کشی ونت تشکیل می شوند. لوله کشی رفت، بخار را از یک دستگاه دیگ یا منبع دیگر به نقاط مصرف با فشار بالای متغیر (۱۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلوپاسکال) و ایستگاه های کاهش فشار تحویل می دهد. لوله کشی بازیابی کندانس، کندانس بخار را به شکل مایع یا دوفاز به دیگ برمی گرداند. ونت های بخار تضمین می کنند کانال های بازیابی کندانس جوی تحت فشار نیستند و در عین حال به حذف کندانس از تجهیزات و پایه ها کمک می کنند. نمودار یک سیستم توزیع بخار ساده در شکل ۱ نشان داده می شود.

روش های سایزکردن لوله که در هندبوک مبانی اشری ۲۰۲۱ آمده، شامل استفاده از نوموگرام ها، نمودارها و جداول می شود که یک فرآیند پراشتباه و زمان بَر است. در واقع، در این روش سایزکردن لوله، حداقل ۹ نمودار و جدول باید به کرات در طراحی سیستم لوله کشی استفاده شود. این مقاله یک روش فرمولیک برای سایزکردن لوله ارایه می کند و امکان خودکارکردن مراحل زیاد فرایند با استفاده از نرم افزار محاسباتی را فراهم می سازد.

معادلات اصلی افت فشار سیال

معادله دارسی-ویس باخ برای افت فشار دینامیک برای سیالات جاری در کانال های گرد بسته به کار می رود که برای سیالات نیوتنی و تک فاز تراکم ناپذیر معتبر است. فاکتور اصطکاک (f) و عدد رینولدز (Re) متغیرهای بدون بعد این معادله هستند که به محاسبات ثانویه نیاز دارند. معادله کوربروک برای تعیین دقیق فاکتور اصطکاک استفاده می شود؛ تقریب های نزدیک را هم می توان با استفاده از روش هایی مانند رابطه سوام-جین به دست آورد. عدد رینولدز، نسبت اینرسی به نیروهای ویسکوز است که عدد آن رژیم جریان سیال (آرام، گذرا یا آشفته) را نشان می دهد. جدول ۱ خلاصه ای از معادلات اصلی افت فشار سیال (معادلات ۱، ۲ و ۳) را نشان می دهد.

سایزینگ لوله رفت بخار

واحدهای بخار صنعتی، معمولا بخار اشباع در فشار بالا تولید و توزیع می کند. فشارهای زیاد بخار اغلب برای شبکه های لوله کشی بزرگ بهتر است، چون به دلیل دانسیته بالاتر بخار در فشارهای زیاد، همین جریان جرمی می تواند با سایزهای لوله کوچک تر هم منتقل شود. فشارهای بالاتر بخار همچنین منجر به دماهای بالای سیال می شود که اغلب برای کاربری های فرآیند و استریلیزاسیون لازم است. ایستگاه های کاهش فشار بخار در نقاط مختلف مصرف، برای تجهیزاتی با بیشترین فشار کاری مجاز و کمتر از بالاترین فشار بالادستی پیش بینی شده استفاده می شوند. مزیت بخار کم فشار (کمتر از ۱۰۰ کیلوپاسکال)، محتوای انرژی نهان بالاتر برای بارهایی است که به دماهای بالا نیاز ندارد.

سایزکردن لوله رفت بخار تابعی از دبی جرمی، سرعت، فشار اولیه و کل افت فشار مجاز سیستم است. دبی جرمی با الزامات تجهیزات به اضافه افت های ناگهانی (مانند بخار متراکم در لوله ها، نشت از ونت ها) تعیین می شود. محدودیت های سرعت برای جلوگیری از خوردگی لوله و حمل آب بدون ایجاد نویز اضافی تعیین می شود. فشار اولیه با فشار بخار لازم در نقاط مصرف و کل افت فشار سیستم توزیع تعیین می شود. کل افت فشار لوله کشی رفت بخار مجاز معمولا در محدوده ۲۰ تا ۳۰ درصد فشار تولید در مبدا است.

لوله کشی رفت بخار حداقل ۲ میلی متر بر متر در جهت جریان شیب نیاز دارد تا تخلیه کندانس به نقاط جمع آوری تسهیل شود. مسیرهای انشعابی کوتاه ۳ متری یا کمتر می توانند شیبی در خلاف جهت جریان به میزان ۴ میلی متر بر متر داشته باشند.

راهنماهای کلی برای سایر لوله بخار در جدول ۲ آمده است: لوله ها باید طوری سایز شوند که از بیشترین سرعت و افت فشار نشان داده شده تجاوز نشود. برای یک موقعیت فشار رفت بخار مشخص، محدودیت های افت فشار اندازه لوله در دبی های پایین تر را تعیین می کند، در حالی که محدودیت های سرعت، اندازه لوله در دبی های بالاتر را تعیین می کند. یک روش فرمولی پیشنهادی برای سایزکردن لوله های رفت در مراحل زیر خلاصه می شود:

1. قطر لازم لوله را با استفاده از معادله ۴a تعیین کنید:

(۴a)

که

d = قطر داخلی لوله (میلی متر)، in

C3 = 3.0984 (I-P), 33.333 (SI)، بدون بعد

m = دبی جرمی، lbm/h(kg/h)

v = حجم مخصوص، ft3/lbm(m3/kg)

V = سرعت بخار، fpm(m/s)

2. نزدیک ترین اندازه لوله استاندارد با کمترین قطر لوله داخلی که در مرحله ۱ محاسبه شده را انتخاب کنید.

3. سرعت بخار حاصل را با استفاده از قطر لوله داخلی انتخاب شده از مرحله ۲ و معادله ۴b که شکل تغییریافته معادله ۴a است، تعیین کنید:

(۴b)

4. افت فشار در طول واحد را با استفاده از معادله دارسی-ویس باخ (معادله ۱ و جدول ۱) محاسبه کنید. اگر افت فشار در طول واحد بیشتر از عدد طراحی است، یک اندازه لوله بزرگ تر انتخاب و مراحل ۳ و ۴ را تکرار کنید.

کل افت فشار سیستم باید بعد از سایزکردن شبکه لوله کشی بخار با توجه به افت شیرها، اتصالات و اصطکاک لوله ها تعیین شود. اگر افت فشار بیشتر از بیشترین عدد مجاز باشد، سایزکردن لوله و مسیریابی باید برای کاهش افت فشار در محدوده قابل قبول بهینه شود.

شکل ۱: سیستم توزیع بخار ساده

جدول ۱: معادلات پایه افت فشار سیال

معادله	ثابت ها و متغیرها
دارسی- ویس باخ	ΔP = افت فشار، C1 = 3.597×10-7 (I-P); 500 (SI)، f = فاکتور اصطکاک، L = طول لوله V = سرعت بخار d = قطر داخلی لوله v = حجم مخصوص
	ε = زبری مطلق Re = عدد رینولدز
عدد رینولدز	C2 = 720 (I-P); 1,000 (SI) V = ویسکوزیته جنبشی

جدول ۲٫ راهنمای سایز لوله رفت بخار

* افت فشار در واحد طول را می توان طوری تنظیم کرد که کل افت فشار سیستم مجاز حفظ شود

†هدرهای بخار

† مسیرهای تجهیزات و پایین دست رگلاتورهای فشار

‡ لوله های اصلی و انشعابات (گرمایش یا حساس به نویز)

• لوله های اصلی و انشعابات (فرآیند و غیرحساس به نویز)