پیمانکار رتبه یک تاسیسات

پنجره‌های نانوتکنولوژی تولید کننده ی برق
1395-03-24
شهرهای چوبی
1395-03-26
Show all

اصول طراحی سیستم دیگ بخار چگالشی

اصول طراحی سیستم دیگ بخار چگالشی

گردآورنده: فریبا فرجی
خرداد ۹۵

چکیده:

دیگ­های چگالشی می­توانند به راندمان بالای ۹۸ درصد در مقایسه با بیشترین مقدار راندمان یک بویلر معمولی (۸۰%)  دست یابند با این حال یک دیگ چگالشی رسیدن به راندمان قابل انتظار را گارانتی نمی­کند.

طبق اصل اول طراحی یک دیگ چگالشی برای تعیین دمای آب ورودی به دیگ، دانستن راندمان دیگ و بازده میزان سوخت مصرفی سالیانه دیگ چگالشی لازم می­باشد.

طرز کار پکیج چگالشی

طبق کد Z21.13 استاندارد ANSI ، تست عملکرد بویلر چگالنده در دمای ۲۷ درجه سانتی­گراد،  افزایش دمای آب تا ۵۵ درجه سانتی­گراد مشخص می­کند که شرایطی مطابق استاندارد طراحی بدست نمی­آید. مزایای استفاده از سیستم­هایی با اختلاف دمای بالا شامل کاهش مصرف انرژی مبدل حرارتی و پمپ، کاهش سایز لوله، کاهش هدر رفت گرمای تولیدی و آلودگی محیط زیست می­شود انتخاب یک دیگ چگالشی بسیار آسان است و حداقل بخش مهمی از طراحی یک سیستم گرمایشی می­باشد. این مقاله اصول پایه برای طراحی یک سیستم گرمایش با استفاده از دیگ­های چگالشی را ارائه می­کند و شرح مختصری درباره نحوه دستیابی به این اصول را بیان می­کند. مابقی اصول طراحی بیشتر مرتبط به نحوه رسیدن به یک دمای آب ورودی پایین است.

اصل اول: عدم تجاوز دمای آب بازگشتی به دیگ از ۲۷ درجه سانتیگراد برای دستیابی به راندمان دیگ بخار

طبق کد Z21.13 استاندارد ANSI، عملکرد دیگ چگالشی در دمای ۲۷ درجه سانتیگراد آب ورودی دیگ و افزایش دما تا ۵۵ درجه برای رسیدن به دمای آب خروجی از دیگ به ۸۲ درجه ارزیابی و تست می­شود. عملکرد دیگ چگالشی تحت EWT دیگ می­باشد. در شکل۱، منحنی راندمان عملی دیگ چگالشی یک شرکت و منحنی عملکرد نظری را ارائه می­دهد.

۹۸۸

دیگ در نقطه شبنم گازهای احتراق، در سطح دریا و دمای حدود ۵۴ درجه سانتی­گراد شروع به چگالش آب حاصل از گازهای احتراق می­کند. با ادامه کاهش دمای گاز، مقدار بیشتری از آب چگالیده شده و افزایش چشمگیر راندمان دیگ تا مقدار  EWT ارزیابی شده توسط دیگ در ۲۷ درجه سانتی­گراد، کاهش می­یابد. اگر سیستم گرمایش آب نتواند به دمای ۲۷ درجه آب بازگشتی به دیگ برسد، دیگ در راندمان تعیین شده عمل نخواهد کرد.

اگر سیستم در مدت زیادی از فصل گرما برای بازگشت آب به دمای ۲۷ درجه سانتیگراد طراحی نشده باشد، باید یک دیگ بدون بخش چگالنده برای رسیدن به راندمان تا ۸۷ درصد و EWT 60 درجه سانتی­گراد، استفاده شود. قیمت یک دیگ بدون بخش چگالنده یک-سوم قیمت دیگ چگالشی می­باشد.

اصل دوم: انتخاب کویل حرارتی مناسب دمای ۲۷ درجه سانتی­گراد آب خروجی.

مهمترین اصل طراحی یک سیستم گرمایش آب با بازده بالا ، انتخاب کویل حرارتی مناسب می­باشد یک مبدل حرارتی برای گرمایش آب داخلی از ۴ تا ۵۷ درجه نیازمند (gpm)80 حرارت می­باشد. مشخصه طراحی ، طبق انتخاب فروشنده، حرارتی به مقدار (gpm)195  از آب ۶۶ درجه دیگ با LWT 55 درجه لازم است. مقدار LWT 27 درجه، افزایش بازده دیگ بخار، کاهش تقریبی ۴۰ درصد نرخ جریان آب گرم، جواز کاربرد پمپ کوچک و کاهش ۲۰ درصدی ارتفاع و قیمت مبدل حرارتی نسبت به انتخاب اصلی، نتایج آن بوده است. این نتایج معمولی حاصل از سایز مبدل حرارتی برای اختلاف دمای مناسب نسبت به مقدار ۲۷ درجه تعیین شده با محاسبه تخمینی، می­باشد.

اختلاف دمای ۱۱ درجه درکنار آب اغلب برای کویل­های حرارتی استفاده می­شود. سیستم­های با بازده بالا نیازمند انتخاب کویل با بالاترین میزان اختلاف دما در محدوده ۴۵ درجه می­باشد. یک AHU برای گرمای (cfm)10000 هوا از ۲  تا ۳۲ درجه سانتی­گراد موردنیاز یک کویل حرارتی می­باشد. یک مهندس برای نگهداری کویل در LWT 38 درجه، یک توربین بادی(EWT) 49 درجه را به کار می­برد، سپس به تلاش انتخاب مشابه یک EWT 83 درجه می­پردازد. تفاوت بین نتایج بیان می­کند که اختلاف دمای ۱۱ درجه سانتیگراد و نرخ جریان (lpm) 4/56 نیازمند کویل­های سه ردیفه می­باشد. نتیجه اختلاف دمای ۴۴ درجه، انتخاب یک کویل ۲ ردیفه و نرخ جریان (lpm) 55 می­باشد.  تنها تفاوت دیگر انتخاب اختلاف دمای ۴۵ درجه سانتی­گراد است که شامل ۱۶ مسیر از لوله ی در هر حلقه در نقطه تقاطع صفحه کویل در خلاف ۸ مسیر دیگر کویل دیگر. در نرخ­های پایین جریان آب، گردش­های کمتر با طول­های بیشتر به حفظ جریان در محدوده جریان توربولنت برای انتقال حرارت بالا، نیازمند است. در این مثال برنامه انتخاب کویل به صورت احتمالی از یک وبسایت ارئه دهنده کویل، انتخاب شده است. کویل اختلاف دمای بالا بسیار مشابه کویل اختلاف دما پایین است، اما به دلیل کاهش قابل توجه ۷۵ درصدی ذخیره انرژی در پمپاژ انرژی، اختلاف فشار کمتری بر سمت هوا و EWT پایین در یک کویل با ردیف کمتر را فراهم می­کند.

اصل سوم: اختلاف دمای طراحی آب گرم یک کویل حرارتی باید برابر اختلاف دمای طراحی بار باشد.

عملکرد یک کویل حرارتی آب گرم توسط معادلات زیر ارائه می­شود:

که در آن:

Q: نرخ انتقال حرارت (Btu/h)

 مینیمم مقدار نرخ توان جریان (Btuh/ºF)

ϵ: بازده

EWT: دمای آب ورودی

EAT: دمای هوای ورودی

نرخ توان الکتریکی جریان حاصل نرخ جرمی جریان و ظرفیت حرارتی جریان برای هردو قسمت هوا و آب کویل می­باشد. نرخ توان الکتریکی برابر GPM 500 برای قسمت آب و CFM 08/1 در قسمت هوا ،که با Btuh/F بیان شده، می­باشد.

اصل چهارم: انتخاب سیستم­های گرمایشی قادر به بازگشت آب ۲۷ درجه سانتی­گراد به دیگ بخار.

نسبت به دیگر سیستم­ها برخی از سیستم­های گرمایشی HVAC با دیگ­های چگالشی سازگارترند.

اصل پنجم: کاربرد اولیه، تنها سیستم­های توزیع آب گرم

مشکلی که ممکن است در زمینه سیستم­های چگالش آب مواجه شویم، کاربرد سیستم­های توزیع اولیه و ثانویه است که برای تامین جریان ثابت آب به دیگ بخار و جریان متغییر آب به کویل­های حرارتی طراحی شده­اند. این مجموعه باعث اختلاط آب برگشتی با آب لازم می­شود، اگر نرخ جریان دیگ بخار و بار دقیقا برابر نباشند. این اختلاط باعث افزایش دمای آب بازگشتی به دیگ­ها و یا کاهش دمای آب لازم کویل­ها می­شود که هردو باعث کاهش راندمان دیگ چگالشی می­شوند. در شکل زیر و توضیحات مربوط به سیستم دیگ بخار اولیه ارائه شده است:

  • تنها یک پمپ با سرعت متغییر آب بازگشتی را به دیگ بخار و به مسیر کویل­های حرارتی می­فرستد. دیگ­های بخار مجهز به شیرهای ایزوله و کویل­ها منتهی به دو مسیر با شیرهای کنترل می­باشند. سرعت پمپ متناسب با اختلاف فشار بین آب لازم کویل و آب بازگشتی به دیگ کنترل می­شود و در نزدیکی کویل­ها قرار گرفته است. باید اشاره داست که اختلاف فشار متناسب با شرایط شیرهای کنترل ممکن است تغییر کنند!
  • یک انشعاب فرعی با شیرکنترل در پایین دست برای نگهداری کمترین مقدار دبی آب لازم به دیگ بخار در حال کار قرار دارد. ترتیب قرارگیری دیگ­ها برای جلوگیری از فعالیت شیر کنترل فرعی بررسی می­شوند.
  • ۸۸

اصل ششم: انتخاب بویلر متناسب با نرخ turndown  پایین

دیگ­های چگالشی معمولا با نرخ turndown پایین حدود %۲۰ یا کمتر طراحی شده­اند. برخی از دیگ­ها دارای نرخ turndown کمتر از %۵ می­باشند. اگر بارها به مقدار کمتری از نرخ turndown نزول پیدا کند، دیگ­ها باید سیکل روشن و خاموش را طی کنند تا به بار لازم برسند که این خود می­تواند باعث کاهش قابل ملاحظه راندمان دیگ شود. زمانی­که دیگ­ها چرخه را طی می­کنند، قبل و بعد از تخلیه، احتراق هوا در مشعل و مبدل حرارتی نیاز است. در نتیجه زمانی­که یک دیگ بخار شروع به کار می­کند هوای احتراق سرد در دبی بالا، جریان هوا به داخل مبدل حرارتی برای یک با دو دقیقه دمیده می­شود و حرارت از مبدل حرارتی و دیگ بخار تخلیه می­شود. اگر سیکل دیگ بخار حدود ۲۰ دقیقه یا بیشتر باشد اتلاف حرارتی ناچیز است اما اگر هر سیکل دیگ بخار در ۵ دقیقه با سرعت طی بشود آن­گاه اتلاف قابل ملاحظه است. قابل اشاره است که دیگ بخار با سیکل سریع در حدود ۲ دقیقه، یک دقیقه اجرا و یک دقیقه تخلیه، طول می­کشد.

Mass boiler به مقدار آب درون دیگ بخار گویند که فشاری مستقیم بر سیکل دیگ بخار در بار کم وارد می­کند. بیشتر دیگ­های چگالشی low-mass هستند به این معنا که آن­ها می­توانند به مقدار ۲ لیتر آب درون خود داشته باشند. مشکل دیگ­های low-mass موضوعی است که عملکرد سیکل دیگ بخار را در سیکل­های با سرعت در بارهای پایین، خراب کرده است. تانک­های ذخیره آب خارجی می­توانند برای کاهش و یا حذف سیکل کوتاه به داخل سیستم لوله کشی بشوند.

اصل هفتم: انتخاب بویلر متناسب با حداقل مقدار آب لازم

معمولا حداقل جریان آب دیگ بخار از عملکرد سیستم نسبت به نرخ turndown مشعل بسیار مهمتر است. محدوده حداقل turndown جریان وابسته به دیگ بخار انتخابی از ۰ تا بیشترین مقدار %۸۰ می­باشد. دیگ­های چگالشی high-mass معولا نیازمند کمترین مقدار آب لازم می­باشند. بیشتر سیستم­های توزیع اولیه یک سیستم کنتور جریان و شیر فرعی (bypass valve) را به کار می­برند. شیرهای فرعی آب موجودی خارجی دیگ بخار را مستقیما به پشت دیگ هدایت می­کنند که دمای آب برگشتی ورودی به دیگ به میزان زیادی افزایش می­یابد و معمولا دیگ را به خارج محدوده چگالش می­رساند. حداقل آب لازم دیگ بخار معولا فاکتور اساسی برای انتخاب یک دیگ بخار است. حداقل آب مجاز دیگ بخار بلافاصله در طراحی دیگ بخار و راهنمای نصب اغلب ظاهر نمی­شود­، اما در بعضی جاها اشاره کوچکی به آن شده است. اجرا در پایین تر از حد مجاز امکان صدمه به دیگ و ابطال گارانتی را دارد.

اصل هشتم: تفاوت اندازه دیگ­های بخار متناسب با حداقل مقدار آب لازم

بعنوان مثال، برای ظرفیت کل سیستم ۱۰۰ درصد، دو دیگ به اندازه ۲۰ درصد و ۸۰ درصد را به جای دو دیگ بخار به اندازه ۵۰ درصد به کار می­رود.

اصل نهم: انتخاب شیرهای کنترل قادر به بررسی با دقت کمتر از %۱ از حداکثر جریان

شیرهای کنترل می­توانند تاثیر منفی بر توانایی سیستم در حفظ یک اختلاف دمای بالا در بارهای پایین را داشته باشند. محدودیت جریان آب توسط یک شیر کنترلی انطباقی (modulating valve) باعث ایجاد یک اختلاف دمای بالای آب می­شود. اگرچه اجرای یک شیر کنترلی در حالت باز یا بسته باعث ایجاد یک اختلاف دمای پایین آب می­شود. کنترل باز یا بسته بودن یک شیر انطباقی در دبی کم گذرا از شیر اتفاق خواهد افتاد که معمولا شروع آن در %۵ دبی طراحی یک شیر کنترلی گران قیمت می­باشد. شیرهای کنترلی characterized  و multi-port  می­توانند سیکل باز و یا بسته بودن شیر را به کمتر از %۱ برسانند. توصیه می­شود تمامی سیستم­های با عملکرد بالا به شیرهای کنترل فشار مدرن مجهز شوند. این شیرها دقت کنترل را به محدوده %۵/۰ بار کاهش دهند.

اصل دهم: بهینه سازی سیستم­های کنترل گرمایش آب

بهینه­سازی سیستم کنترل هیدرونیک (hydronic system control) بر کاهش دمای آب ورودی به دیگ بخار متمرکز می­شود تا به بیشترین بازده و زمان دیگ چگالشی برسد. استراتژی کنترل شامل سیستم فعال­سازی کنترل، آرایش بهینه ی دیگ، تنظیم مجدد هوا در خارج از دیگ و تنظیم مجدد بار می­باشد.

سیستم فعال­سازی کنترل یک نکته­ی قابل اهمیت برای اجرای هردو دیگ چگالشی و معمولی می­باشد. بیشتر سیستم­ها به عنوان استرتژی، قفل را برای دمای هوای خارجی(OAT) درنظر می­گیرند، زمانی­که دما پایین­تر از نقطه­ی تنظیم برسد، که معمولا ۱۵ درجه سانتیگراد می­باشد، سیستم گرمایش آب به کار می­افتد. این یک استراتژی ضعیف است که صدها ساعت اجرا بدون بار و اتلاف حرارت در لوله را نتیجه می­دهد. استراتژی بهتر، استراتژی تنظیم نقطه فعال­سازی دو دیگ همزمان است. به عنوان مثالی از این استراتژی، زمانی­که دمای هوای خارجی بالای ۱۵ درجه باشد سیستم خاموش و زمانی­که دمای هوای خارجی زیر ۴ درجه باشد سیستم شروع به کار کند. زمانی­که OAT در این محدوده نقاط قرار بگیرد، سیستم با فرمان به گرم شدن یک یا دو کویل فعال می­شود. در طول تلاش بر اجرای یکپارچگی با سیستم­عامل در دو ساختمان همسان که یکی سیستم گرمایش آب را در نقطه OAT  اجرا می­کند و دیگری تقاضای حفظ کویل بین دو نقطه تنظیم را دارد، این استراتژی دو برابر مصرف سالیانه گاز طبیعی را در بردارد.

آرایش بهینه دیگ می­تواند خود مجموعه­ای از استراتژی های توجه به اندازه­های مختلف دیگ، حداقل نرخ­های turndown جریان و مشعل­های مختلف، جزییات عملکرد دیگ و تنطیم مجدد دما باشد. در بارهای کم اغلب اجرای دیگ­های متعدد که به صورت موازی باهم قرار دارند، پیشنهاد می­شود. دیگ­های چگالشی زمانی­که در شرایط متوسط باری از ۲۰ تا ۶۰ درصد کار می­کنند، بازده بالایی دارند. اگرچه حداقل دبی جریان دیگ باید به گونه­ای باشد که از عبور آب گرم از شیر فرعی جلوگیری کند تا بعدا آب ورودی بویلر  افزایش بیاید که این خود عامل افزایش راندمان در دیگ­های چگالشی است.

تنظیم مجدد دمای هوای خارجی  (OAT)جایی ایست که LWT دیگ در پاسخ به OAT کاهش می­یابد، یک استراتژی عادی دیگ بخار می­باشد. روش سنتی تنظیم مجدد OAT بر کاهش حلقه شیر کنترل در دبی پایین تمرکز می­کند تا دمای ورودی دیگ (EWT) کاهش و راندمان دیگ چگالشی افزایش بیابد.

تنظیم مجدد بار هم همانند تنظیم مجدد OAT می­باشد، به جز LWT دیگ که در پاسخ به شرایط شیر کنترل و ترم دما تنظیم می­شود.

اصل یازدهم: کاربرد یک ابزار طراحی نیرومند برای طراحی سیستم­های دیگ چگالشی

متغییرهای زیادی برای طراحی یک سیستم دیگ چگالشی با راندمان بالا وجود دارد. یک  ابزار طراحی برای ارزیابی نتیجه کاربرد ۹ اصل طراحی سیستم دیگ چگالشی نیاز است.

LWT دیگ به طور خودکار مجددا تنظیم می­شود تا بارهای دو کویل گرمایش هوا با مقداری از آب گرم صفحات پایه و یک ورقه تابشی تلاقی کند. در بارهای بالا، LWT آب گرم صفحه باعث افزایش EWT دیگ تا نزدیکی ۵۴ درجه سانتیگراد یعنی لبه­ی محدوده چگالش، می­شود. اما در اکثریت مواقع EWT دیگ در محدوده­ی ۲۷ درجه در بارهای کم و متوسط قرار دارد که در آن اکثر ساعات بار رخ می­دهد.یک ابزار طراحی باید شامل محاسبات چندین مولفه سیستم شامل موارد زیر باشد:

  • منحنی راندمان دیگ
  • جزییات اجرای دیگ بخار شامل حداقل میزان نرخ turndown مشعل، عملکرد دیگ با چرخه­های کوتاه، نسبت جریان کم، آرایش دیگ­ها و استراتژی­های کنترل
  • خصوصیات مبدل­های حرارتی از انواع مختلفی از کویل حرارتی شامل کویل­های گرمابش هوا، صفحه آب گرم، صفحه تابشی و گرمکن
  • قادر به انتقال اطلاعات انتخاب کویل به مدل عملکرد کویل
  • خصوصیات جریان شیر کنترل و عملکرد آن در شرایط بار کم
  • و در آخر ابزار طراحی باید نتایج را به شیوه­ای ارائه بدهد.

نتایج:

طراحی بهینه انرژی برای یک سیستم گرمایش کاربردی در دیگ­های چگالنده نسبت به طراحی یک سیستم دیگ معمولی بسیار متفاوت است.  سیستم معمولی، حافظ دمای آب بازگشتی به دیگ بالای ۶۰ درجه سانتی­گراد می­باشد. هدف یک سیستم دیگ بخار چگالشی، دستیابی به بیشترین بازده با حفظ دمای آب بازگشتی به دیگ در ۲۷ درجه است. این تفاوت در مقدار بهینه EWT دیگ بخار، باعث ایجاد تفاوت­های بارز در سیستم­های شامل طراحی لوله­کشی، اختلاف دمای سیستم اجرایی، انتخاب کویل، نوسانات دیگ و سیستم کنترل می­باشد.

منبع:

www.cleaver-brooks.com

www.ashrae.com

3 دیدگاه