العقبات/ المشاكل المتعلقة بانتقال الحرارة Heat Transfer Problems

العقبات/ المشاكل المتعلقة بانتقال الحرارة Heat Transfer Problems

العديد من المعدات مثل المبادلات الحرارية heat exchangers والثلاجات والغلايات والأفران والمكثفات condensers -وغير ذلك- تم تصميمها على أساس مبادئ انتقال الحرارة والذى يتمثل فى وجود فرق  درجات الحرارة.

لكن يوجد عقبتان/مشكلتان يمثلان تحدى فى الحياة العملية وهما :
1- معدل انتقال الحرارة Rating
2- حجم المبادل الحرارى Sizing

فمشاكل Rating تتمثل فى تحديد معدل انتقال حرارة محدد لنظام متواجد عند وجود فرق فى درجات الحرارة معينة.
ومشاكل Sizing تتعامل مع تحديد حجم معين للنظام لنقل الحرارة منه أو إليه بمعدل انتقال حرارة معينة تبعا لفرق فى درجات الحرارة معين.

ولدراسة عملية انتقال الحرارة لمعدة ما يكون إما تجريبيا/معملية (بإستخدام أدوات القياس) أو تحليليا (بإستخدام الطرق التحليلية والقوانين والحسابات).

الدراسة التجريبية/المعملية تتميز فى كونها تتعامل مع النظام الواقعى وتحديد الكميات المطلوبة والمنشودة بواسطة أجهزة القياس مع الأخذ فى الإعتبار نسبة الخطأ فى القياس، ورغم ذلك فهى تعتبر مكلفة ومستهلكة للوقت ..

أما الدراسة التحليلية/الرياضية  فتتميز فى كونها سريعة وغير مكلفة لكن النتائج التى نحصل عليها تقاس دقتها بدقة الفروض التى تم أخذها فى الغعتبا عن وضع النموذج الرياضى (القوانين) وتحليلها.

ويمكن استخدام الدراسة التحليلية لتعطى نتائج مقبولة وحل وسط وذلك باستخدام الفروض المناسبة وتحليلها ومن ثم تأكيد تلك النتائج بشكل تجربى/معملى.

صياغة النموذج الرياضى فى علم انتقال الحرارة modeling in heat transfer 2

وصف المشكلات الرياضية يتطلب وضع مصطلحات expressions تربط بين التغيرات التى تحدث بالمتغيرات التى تتعلق بوصف المشكلة ومرتبطة ببعضها البعض بحيث كلما قلت نسبة الزيادة فى تلك المتغيرات كلما كان الوصف أكثر دقة ويمكن تعميمه.

برصد تلك التغيرات التى تحدث يمكنك صياغة المعادلات التفاضلية differential equations والتى ستقدم لك صيغ رياضية أدق لتلك المبادئ والقوانين الفيزيائية بحيث يكون معدل التغير بها يمثل مشتقات تلك المعادلات التفاضلية.

لذلك يتم استخدام المعادلات التفاضلية فى توصيف وفحص مشاكل كثيرة فى العلوم والهندسة من ضمنها علم انتقال الحرارة، وهذا لا يمنع من أنه يمكن التعامل مع مسائل انتقال الحرارة بدون اللجوء لتلك المعادلات نظر لتعقيداتها فى بعض الأحيان.

دراسة أى ظاهرة فيزيائية تتضمن خطوتين :

1- تحديد كل المتغيرات التى تؤثر على تلك الظاهرة يحيث يتم توصيفها بدقة أكبر ووضع الفروض المقبولة لها، ودراسة الترابط بين تلك المتغيرات.

يتم ربط تلك المتغيرات ببعضها البعض بشكل فيزيائى - الوحدات والكميات الفيزيائية- لمعرفة صياغة المشكلة رياضيا، وهى التى توضح درجة تأثير المتغيرات على بعضها البعض

2- تحديد طريقة الحل المناسبة للمشكلة الموجودة بالواقع واختيار الأسلوب المناسب لها والفرضيات الخاصة بها ثم تفسير النتائج الذى تم الوصول إليها.

كثير من الظواهر التى تحدث حولنا فى الطبيعة تحدث دون تأثير مباشر لنا فيه، وهذه الطواهر تحكمها قوانين فيزيائية سواء عرفناها أم لا.

معظم تلك القوانين واضحة ومفهومة من جهة العلماء المختصين بها ومن خلال ذلك تظهر إمكانية توقع حدث قبل حدوثه أو دراسة جوانب حدث معين بشكل رياضى دون إجراء تجارب مكلفة أو استهلاك كبير فى الوقت.

وهنا تأتى نقطة القوة فى مسألة التحليل Analysis، فتعطى لنا نتائج دقيقة بشكل كبير وبجهد أقل نسبيا بإستخدام النموذج الرياضى المناسب والواقعى لوصف الحدث/الظاهرة، وهذا يتطلب معرفة كافية بظواهر الطبيعة والقوانين المرتبطة بها بالإضافة إلى التفكير المنطقى السليم الذى يستطيع أن يوصّف ويضع النموذج الرياضى المناسب الذى يمدّك بنتائج دقيقة وواقعية.

الشخص الذى يعمل على تحليل مشكلة هندسية يجد نفسه بين اختيارين إما نموذج رياضى دقيق جدا لكنه معقد وإما نموذج بسيط لكنه غير دقيق كالنموذج الأول. حينها يكون الاختيار الصائب للنموذج على حسب الوضع فى الواقع، وعادة يكون الاختيار للنموذج الأبسط ويقدم نتائج جيدة ومقبولة بشكل كافى.

نضرب مثالا للتقريب .. يمكن دراسة عملية طهى قطعة من البطاطس فى الفرن بشكل تحليلى Analysis وذلك بوضع نموذج مبسط وهو افتراض أن قطعة البطاطس -ذات الشكل غير المنتظم- بأنها كرة مصمتة وخصائصها هى خصائص الماء. هذا النموذج يوفر لك نتائج مقبولة ويمكن الإستفادة منها عمليا.

مثال آخر .. أحد المبانى فى البلدان ذات الجو البارد -أوروبا مثلا- التى تستخدم أنظمة التدفئة المركزية. عند تحليل كمية الحرارة التى يفقدها هذا المبنى وذلك لاختيار سخان(مدفأة) ذو حجم مناسب يجب أن نضع فى الإعتبار الحرارة التى سيخسرها المبنى تحت أسوأ الظروف، ثم نفرض أن المبنى وكأنه فرن (متوازى مستطيلات مثلا -على حسب شكل المبنى-) ويتم إمداد ذلك الفرن بالحرارة اللازمة لتعويض الفقد. بل ويمكن اعتبار المبنى بأنه أكبر من الحقيقة تحسبا لحدوث توسعات فى المبنى. وبذلك بوضع نموذج التحليل البسيط المناسب يمكنك الوصول لنتائج جيدة ومقبولة.

أيضا حين تختار أحد معدات انتقال الحرارة مثل المبادل الحرارى Heat Exchanger، يجب أن تضع فى الإعتبار ظروف التشغيل الفعلية له. فلو المبادل الحرارى يتعامل مع مياه بها نسبة من العسر إذن يجب أن نضع فى الإعتبار أن بعض ترسبات الكالسيوم سسترسب على أسطح المواسير مسببة انخفاض كفاءة انتقال الحرارة بالوقت مسببة fouling على تلك الأسطح وبالتالى سيحدث انخفاض تدريجى فى أداء المبادل الحرارى Heat Exchanger .

إعداد نماذج رياضية دقيقة جدا ولكن معقدة ليست صعبة للغاية، ولكن هذه النماذج لا تستخدم كثيرا من قبل المحلل Analyst خاصة إذا كانت صعبة وتستغرق وقتا طويلا لإعطاء النتائج.

لذا الحد الأدنى، أن النموذج الرياضى يجب أن يعكس السمات الرئيسية للمشكلة -الموجودة بالواقع - التى تتم دراستها.

هناك العديد من المشاكل في الواقع التي يمكن تحليلها بواسطة نموذج بسيط لكن يجب الوضع فى الإعتبار أن النتائج التى تم الحصول عليها تتوقف دقتها على دقة الفروض -الخاصة بمشكلة ما- التى تم بها تبسيط النموذج، ولا يمكن إعادة استخدام النموذج مع مشكلة أخرى إلا بتطابق الفروض.

لقراءة الجزء الأول: علم انتقال الحرارة مقدمة 1

------------

أحد المصادر : HEAT TRANSFER - YUNUS A. CENGEL

علم انتقال الحرارة Heat Transfer : مقدمة 1 introduction

علم انتقال الحرارة Heat Transfer : مقدمة 1

علم انتقال الحرارة Heat Transfer هو العلم الذى يهتم بإنتقال الطاقة من نظام لآخر نتيجة وجود فرق فى درجات الحرارة. فكوب الماء المثلج تنخفض درجة حرارته عند وضعه فى الغرفة نتيجه لفقده جزء من الطاقة إلى الوسط الخارجى وذلك بسبب وجود فرق فى درجات الحرارة بينه وبين درجة حرارة الغرفة، ويظل هناك معدل للفقد فى الطاقة إلى أن يصل لمرحلة الإتزان الحرارى وهى تساوى درجة حرارة كوب الماء مع الجو المحيط به حينها يتوقف انتقال الحرارة أو الطاقة .

هنا يتضح الفارق بن علم انتقال الحرارة وعلم الديناميكا الحرارية Thermodynamic. فعلم Thermodynamic يدرس الإتزان الحرارى بمعنى يحسب كمية الحرارة التى تنتقل للإنتقال من حالة إتزان حرارى إلى حالة إتزان حرارى معينة، لكنه لن يعطيك توضيح للمدة التى يستغرقها انتقال الحرارة/الطاقة للوصول لذلك الإتزان الحرارى، وهنا يأتى دور علم إنتقال الحرارة Heat Transfer.

يعطيك علم انتقال الحرارة تصورا عن الكيفية التى انتقلت بها الحرارة لتغير وضع الإتزان هذا، بالإضافة إلى حساب معدل انتقال الحرارة أثناء تغير وضع الإتزان.

لنستوعب الفارق .. نضرب مثالا بقطعة حديد ساخنة تم وضعها فى إناء مملوء بالماء. ما هى نظرة علم انتقال الحرارة وعلم الديناميكا الحرارية Thermodynamic لقطعة الحديد التى تبرد فى الماء.

- علم انتقال الحرار سيعطيك فكرة عن معدل انتقال الحراة نت قطعة الحديد إلى الماء أى لكل فترة زمنية ومنها نحسب كمية الحرارة المفقودة من قطعة الحديد

- علم thermodynamic سيُمدك بكمية الحرارة الكلية التى يجب أن يفقدها الجسم الساخن -قطعة الحديد- لكى نصل لحالة الإتزان الحرارى وهى تساوى درجة حرارة قطعة الحديد والماء.

لك أن تتخيل أن علم انتقال الحرارة لم يترك مجالا إلا وكان مؤثرا فى تطبيقاته العملية بدءا من الأجهزة المنزلية إلى مختلف الأجهزة الحياتية مثل الثلاجات، المكيفات، السخانات، أجهزة الكمبيوتر واللاب توب وأجهزة المحمول ( تبريد Processor ) والسيارات والمعدات الثقيلة (مثل الرادياتير) وغير ذلك الكثير ..

يا له من تخصص علمى عظيم ..

-----------------
أحد المصادر: أساسيات علم الحراريات-الإدارة العامة لتطوير المناهج بالسعودية

فيديو: دورة الماء والبخار فى الغلايات البخارية Circulation in Boilers

فيديو يتحدث عن أنظمة دوران/سريان الماء والبخار فى الغلاية ..
أشهر نظامين هما الدوران الطبيعى Natural Circulation & والدوران الجبرى Forced circulation

 

تفريغ مجمل الفيديو فى مقال كتابى سابق

دورة الماء والبخار فى الغلايات البخارية Circulation in Boilers

أغلب تصميمات الغلاية Boler أو مولدات البخار Steam Generator يمر فيها الماء والبخار خلال مواسير حيث يمتص الحرارة الناتجة من عملية احتراق الوقود

لكى تقوم الغلاية بإنتاج البخار بشكل مستمر Continuous يجب أن تسير المياه فى دوران مستمر خلال المواسير. أشهر طريقتين مستخدمتين :
1- الدوران الطبيعى Natural Circulation
2- الدوران القسرى/الجبرى Forced or Pumped Circulation

1- الدوران الطبيعى Natural Circulation
فى الشكل (a) : فى المسار AB حيث لا يوجد بخار وهى منطقة لا يضاف لها حرارة، فى المسار BC يتم إضافة الحرارة لينتج خليط من الماء والبخار Wet Steam

أغلب الموائع تتمدد حين تزيد درجة حرارتها -إضافة حرارة لها- مما يؤدى إلى أن تقل كثافتها، لذا فإن خليط الماء والبخار Wet Steam أقل كثافة من الماء الموجود فى المسار AB، فتسبب الجاذبية فى سريان الماء لأسفل فى المسار AB وارتفاع خليط الماء والبخار فى المسار BC ليعود إلى Drum مرة أخرى.
يعتمد معدل الدوران للماء والبخار على الفرق فى متوسط الكثافة بين المياه (فى المسار AB) وخليط الماء والبخار Wet Steam (فى المسار BC)

يعتمد معدل الدوران الكلى على أربعة عوامل رئيسية:

1- ارتفاع الغلاية : زيادة ارتفاع الغلاية يسب زيادة فرق الضغط بين الجانب البارد (المسار AB) والساخن (المسار BC) وبالتالى يزدات معدل السريان الكلى

2- ضغط تشغيل الغلاية Operating Pressure : كلما زاد ضغط التشغيل يؤدى إلى زيادة قيمة كثافة البخار وزيادة أعلى لكثافة خليط الماء والبخار وبالتالى يؤدى إلى قلة الفرق فى الوزن الكلى بين الجانب البارد والساخن ويميل إلى خفض معدل السريان.

3- الحرارة المضافة Heat Input : بزيادة الحرارة المضافة بزيادة عملية احتراق الوقود تزادا كمية البخار المولدة فى الجانب الساخن (المسار BC) -Riser- ويقل متوسط كثافة خليط الماء والبخار Wet Steam وبالتالى يزداد معدل السريان الكلى

4- مساحة Free  : زيادة مساحة المقطع أو Free Flow ( مواسير الجانب البارد DownComers ومواسير الجانب الساخن Risers ) للماء وخليط الماء والبخار يمكن أن يرفع معدل السريان.


2- الدوران القسرى/الجبرى Forced or Pumped Circulation

فى الشكل (b) حيث يتم إضافة مضخة Pump تقوم بزيادة معدل الدوران بالمقارنة مع الدوران الطبيعى حيث إن فرق الضغط التى تنشئه المضخة يساعد على التحكم فى معدل السريان.

ستخدم هذا النوع من الدوران (الجبرى/القسرى) عادة فى الغلايات التى تعمل عند ضغط يقترب من الضغط الحرج (218 ضغط جوى) أو أعلى منه  حيث يقل الفرق فى الكثافة بين الماء والبخار

مثال لغلاية غلاية تستخدم الدوران الجبرى هى غلاية La Mont boiler

 
--------------
مصدر الصورة

الغلاية البخارية الأجزاء والمشاكل الشائعة Steam Boilers parts and problems

السلام عليكم

هذا ملخص مبسط عن الغلاية البخارية _أو كما تسمى بالمِرْجَل بالفصحى_ للمهندس عباس طاهر يتناول فيه ذكر الأجزاء الرئيسية للغلاية والمشاكل الشائعة لها مع تجهيزات تؤخذ فى الحسبان عند تشغيلها .

قد يكون الملخص تناول ذكر خصائص غلاية بعينها ذات مواصفات معينة لكن تبقى المفاهيم الأساسية متواجدة .

تحميل الملخص