صيغ تحجيم خزان التمدد

تعد خزانات التمدد جزءًا ضروريًا من جميع الأنظمة المائية المغلقة للتحكم في الحد الأدنى والحد الأقصى للضغط في جميع أنحاء النظام. يتم توفير خزانات التمدد في أنظمة مائية مغلقة من أجل (1) قبول التغيرات في حجم مياه النظام مع تغير كثافة الماء مع درجة الحرارة للحفاظ على ضغوط النظام أقل من حدود تصنيف ضغط مكونات نظام الأنابيب والمعدات. أيضًا (2) الحفاظ على مقياس ضغط إيجابي في جميع أجزاء النظام لمنع تسرب الهواء إلى النظام. (3) الحفاظ على ضغوط كافية في جميع أجزاء النظام لمنع الغليان، بما في ذلك التجويف في صمامات التحكم والانقباضات المماثلة. (4) الحفاظ على رأس الشفط الإيجابي الصافي المطلوب (NPSHR) عند شفط المضخات.

تنطبق النقطتان الأخيرتان عمومًا فقط على أنظمة الماء الساخن ذات درجات الحرارة المرتفعة (أكبر من 210 درجة فهرنهايت [99 درجة مئوية] تقريبًا). بالنسبة لمعظم تطبيقات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، يجب أخذ النقطتين الأوليين فقط في الاعتبار.

خزانات التمدد

أنماط الخزان

هناك أربعة أنماط أساسية لخزانات التوسع:

خزانات فولاذية مهواة أو مفتوحة

نظرًا لأنه يتم تهويتها، يجب وضع الخزانات المفتوحة في أعلى نقطة في النظام. لا يمكن أن تكون درجة حرارة الماء أعلى من 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية)، ويؤدي الاتصال بالهواء الطلق/الماء إلى هجرة مستمرة للهواء إلى النظام، مما يسبب التآكل. وبناءً على ذلك، لم يعد هذا التصميم مستخدمًا تقريبًا.

خزانات فولاذية مغلقة

وتسمى أيضًا الخزانات الفولاذية العادية أو خزانات الضغط من قبل بعض الشركات المصنعة.

هذا هو نفس نمط الخزان مثل الخزان المهووس، ولكن مع فتحة التهوية المغطاة. يسمح ذلك بوضع الخزان في أي مكان في النظام والعمل في درجات حرارة أعلى. لكن لا يزال لديهم اتصال الهواء/الماء الذي يسمح بالتآكل، وفي بعض الأحيان فقدان تدريجي للهواء من الخزان أثناء امتصاصه في الماء.

وما لم يتم شحنه مسبقًا إلى الحد الأدنى من ضغط التشغيل قبل الاتصال بالنظام، يجب أيضًا أن يكون هذا النمط من الخزان أكبر من الخزانات المشحونة مسبقًا. وفقًا لذلك، لم يعد هذا التصميم يُستخدم أبدًا تقريبًا.

خزانات الحجاب الحاجز

كان هذا هو التصميم الأول لخزان الضغط الذي يتضمن حاجزًا للهواء/الماء (غشاء مرن لمنع هجرة الهواء) وتم تصميمه ليتم شحنه مسبقًا (لتقليل حجم الخزان). عادةً ما يتم توصيل الحجاب الحاجز المرن بجانب الخزان بالقرب من المنتصف ولا يمكن استبداله ميدانيًا؛ إذا تمزق الحجاب الحاجز، يجب استبدال الخزان.

خزانات المثانة

تستخدم خزانات المثانة مثانة تشبه البالون لقبول الماء الممتد. غالبًا ما يتم تحديد حجم المثانات بما يتناسب مع حجم الخزان بأكمله، والتي تسمى مثانة "القبول الكامل"، لتجنب تلف المثانة في حالة تشبعها بالمياه. تعتبر المثانة قابلة للاستبدال بشكل عام. هذا هو الآن النوع الأكثر شيوعًا من خزانات التوسعة التجارية الكبيرة.

صيغ التحجيم

الصيغة العامة لتحجيم الخزان، المعادلة 1 (مع تعديل أسماء المتغيرات لتتناسب مع تلك المستخدمة في هذه المقالة)، من المبادئ الأساسية التي تفترض قوانين الغاز المثالية:

$$V_t = \frac{V_s(E_w – E_p)}{(P_s T_c / P_i T_s) – (P_s T_h / P_{max} T_s) – E_{wt}[1 – (P_s T_c / P_{max} T_s)] + E_t} – 0.02 V_s$$

أين

يمثل الحد الأخير (0.02 Vs) هواءًا إضافيًا من الامتزاز من الهواء المذاب في الماء. يمكن تبسيط هذه المعادلة إلى المعادلة أدناه من خلال تجاهل المصطلحات الصغيرة وافتراض أن درجة حرارة الخزان تظل قريبة من درجة حرارة الملء الأولية (عادةً ما يكون افتراضًا جيدًا، بافتراض عدم وجود عزل على الخزان أو الأنابيب إليه، وهي ممارسة شائعة وموصى بها):

$$V_t = \frac{V_s\left(\frac{v_h}{v_c} – 1 – 3\alpha(T_h – T_c)\right)}{\frac{P_s}{P_i} – \frac{P_s}{P_{max}}}$$

تتضمن هذه المعادلة الفضل في توسيع نظام الأنابيب. هذا المصطلح أيضًا صغير نسبيًا ومن الصعب تحديد معاملات التمدد نظرًا للمواد المختلفة الموجودة في النظام، ولكن تم تضمينه في المعادلة أعلاه نظرًا لأنه تم تضمينه في معادلات التحجيم الخاصة بدليل ASHRAE. يتم تضمين هذا المصطلح أيضًا في بعض برامج اختيار الشركات المصنعة لخزانات التوسعة، ولكن ليس معظمها. تتجاهل معظم الشركات المصنعة هذا المصطلح بشكل متحفظ لأنه صغير وليس أكبر من المصطلحات التي تم تجاهلها بالفعل في المعادلة أعلاه. يؤدي تجاهل هذا المصطلح إلى المعادلة أدناه:

$$V_t = \frac{(((v_h/v_c) – 1) V_s)}{(P_s/P_i) – (P_s/P_{max})}$$

البسط هو حجم الماء المتمدد V_ه حيث ترتفع درجة حرارته من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى لدرجات الحرارة، فيمكن كتابة المعادلة:

$$V_t = \frac{V_e}{\frac{P_s}{P_i} – \frac{P_s}{P_{max}}}$$

أين:

$$V_e = (v_h/v_c – 1) V_s$$

يمكن تبسيط المعادلة بشكل أكبر بناءً على نمط الخزان المستخدم.

خزان تنفيس

بالنسبة للخزانات المهواة، تكون الضغوط كلها متماثلة ويقتصر المسيطر على 1، وبالتالي فإن حجم الخزان هو ببساطة حجم الماء الممتد:

$$V_t = V_e$$

خزان مغلق (بدون شحن مسبق)

بالنسبة للخزانات الفولاذية العادية غير المهواة، يكون ضغط البداية عادةً هو الضغط الجوي عندما يكون الخزان فارغًا (بدون شحن مسبق). يتم بعد ذلك توصيل الخزان بماء التركيب، الذي يضغط الخزان حتى ضغط التعبئة عن طريق إزاحة الهواء في النظام، مما يؤدي بشكل أساسي إلى إهدار جزء من حجم الخزان. وبالتالي فإن معادلة الحجم هي:

$$V_l = \frac{V_e}{\frac{P_a}{P_i} – \frac{P_a}{P_{max}}}$$

أين ، ص_أ = الضغط الجوي

خزان مشحون مسبقًا

بالنسبة لأي خزان يتم شحنه مسبقًا إلى الضغط الأولي المطلوب، بما في ذلك خزانات الغشاء والمثانة المشحونة بشكل صحيح، ولكن أيضًا بما في ذلك الخزانات الفولاذية العادية المغلقة إذا تم شحنها مسبقًا، P_س يساوي P_أنا وبالتالي فإن معادلة التحجيم تقلل إلى:

$$V_t = \frac{V_e}{1 – \frac{P_i}{P_{max}}}$$

لاحظ أن هذه المعادلة لا تنطبق إلا عندما يتم شحن الخزان مسبقًا إلى P المطلوب_أنا . يتم شحن الخزانات في المصنع بشحن مسبق قياسي يبلغ 12 رطل لكل بوصة مربعة (83 كيلوباغ).

خزان مغلق

للحصول على ضغوط مسبقة أعلى مرغوبة، يمكن تقديم طلب خاص من المصنع أو يجب على المقاول زيادة الضغط باستخدام الهواء المضغوط أو مضخة يدوية. ولكن ليس من غير المألوف أن يتم التغاضي عن هذا الأمر. يمكن تعويض هذا الإغفال عن طريق تحديد حجم الخزان باستخدام المعادلة أدناه (بافتراض الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر):

$$V_t = \frac{V_e}{\frac{26.7}{P_i} – \frac{26.7}{P_{max}}}$$

(12 رطل لكل بوصة مربعة/26.7 رطل لكل بوصة مربعة [83 كيلو باسكال/184 كيلو باسكال] الشحن المسبق). سيؤدي هذا إلى زيادة حجم الخزان مقارنة بالخزان المشحون بشكل صحيح.

كود ASME للغلايات وأوعية الضغط - 2015، القسم السادس

ASME Boiler and Pressure Vessel Code-2015, Section VI, includes sizing equations (as do the UMC and IMC, which extract the equations verbatim), as shown in Equation below, with variables revised to match those used in this article:

$$V_t = \frac{V_s(0.00041T_h – 0.0466)}{\frac{P_a}{P_i} – \frac{P_a}{P_{max}}}$$

Comparing the denominator of this Equation to Equation for Closed Tank (no precharge), this formula is clearly for sizing a nonprecharged tank; it will overestimate the size of a precharged tank. The numerator is a curve fit of V_ه ; it assumes a minimum temperature of 65°F (18°C) and is only accurate in the range of about 170°F to 230°F (77°C to 110°C) average operating temperature. Therefore, this equation cannot be used for very high temperature hot water (e.g. 350°F [177°C]), closed-circuit condenser water, or chilled water systems.

Author: Steven T. Taylor, PE