اکومولاتور :

انباره یا اکومولاتور هیدرولیک (hydraulic accumulator) یک نوع مخزن ذخیره‌سازی تحت فشار چیست (pressure storage reservoir) است که در آن یک سیال هیدرولیک تراکم‌ناپذیر توسط یک منبع خارجی، تحت فشار قرار می‌گیرد. منبع خارجی می تواند یک فنر، وزنه بلند شده و یا یک گاز فشرده باشد.
22

اکومولاتور به یک سیستم هیدرولیک این امکان را می‌دهد که حداکثر مصرف را با استفاده از یک پمپ کوچک‌تر برآورده کند، به یک مصرف موقت پاسخ سریع‌تر بدهد و همچنین نوسانات را ملایم نماید. اکومولاتور نوعی دستگاه ذخیره‌سازی انرژی (energy storage) است.
اکومولاتورهای گاز فشرده (compressed gas accumulators) که اکومولاتورهای هیدرو پنوماتیک (hydro-pneumatic accumulators) نیز نامیده می‌شوند در حال حاضر پرکاربردترین نوع اکومولاتور هستند.

SAM_2129

( دستگاه ذخیره ساز بخار )

اخیرا با افزایش بی شمار کارخانجات پلاستوفوم، متاسفانه  استفاده از دیگ بخار در این صنایع بطرز نادرستی انجام میگردد . دستگاه تولید پلاستوفوم در کسری از ساعت نیاز به بخاردارد. در بقیه مدت زمان صرف بارگیری و تخلیه محصول میشود . تولید کنندگان این نوع محصولات همیشه از کمبود بخار گله دارند و اکثر مواقع مجبور به خرید دیگهای بخار بزرگتری می شوند . در نتیجه هزینه های ثابت و جاری آنها افزایش می یابد بعضی مواقع دچار ضرر وزیان فراوان میشوند ،اما چاره چیست ؟ آیا ذخیره سازی بخار همانند آبگرم نیاز به محفظه دارد ؟ آیا می توان بخار را در محفظه ای که چندان عایق مناسبی ندارد بمدت طولانی ذخیره کرد ؟ آیا در  مدت زمان طولانی بخار کندانس نمیشود ؟

سوالهای زیادی وجود دارد ، ابتدا به چند نوع ذخیره سازی مصطلح در صنعت مثال اشاره می کنیم و سپس نحوه ذخیره بخار و محاسبات ترمودینامیکی آنرا انجام میدهیم  .

 SAM_2241

چند مورد ذخیره سازی و فوائد آن :

 معمولا پیک مصرف آب شهر 5/2 برابر مصرف زمان عادی میباشد .  فرض کنیم  یک شهریکصد هزار نفری با 240 لیتر مصرف شبانه روزی برای هر نفر ، در هر ساعت 1000 متر مکعب مصرف میکند در ساعت پیک به 2500 متر مکعب خواهد رسید اگر  تاسیسات شهر بر مبنای 2500 متر مکعب بر ساعت ایجاد کنیم هزینه های آن  بسیار گزاف خواهد بود. همین شهر در ساعاتی از نیمه های شب 10 % مصرف ساعات عادی را هم ندارد اینجاست که ذخیره آب اهمیت پیدا میکند .بدین صورت که در شب مخازن ذخیره را پر کرده و در ساعت پیک روز مصرف میکنند.

ذخیره انرژی بصورت آبگرم مصرفی در مجتمع های بزرگ مسکونی نیز برای آشنایان فن آشکار است . منبع ذخیره آبگرم مصرفی  نقش تعیین کننده ای در کاهش ظرفیت بویلر موتور خانه دارد. ذخیره کردن تنها بصورت حرارت نیست . چیلر سرمایش در زمانی که نیازی به کاهش دما در ساختمان نیست به آرامی یخ تولید و در محفظهایی نگهداری می کند  زمانی که حرارت محیط بالاست ،آب شدن یخ کمک فراوانی به کاهش ظرفیت دستگاه چیلر میکند .

مثالهای فوق همه مزایای ذخیره سازی را در صنعت نشان میدهد اما ذخیره بخار چگونه است ؟

 SAM_2235

ذخیره بخار :

  • فرض کنیم یک مصرف کننده نظیر اتوکلاو بتن های سبکACC و یا پرس پخت لاستیک و یا پلاستوفوم در مدت ده دقیقه 1000 کیلوگرم بخار مصرف می کند . اگر همه پیش فرضهای مهندسی را کنار بگذاریم دیگ بخاری که باید بخریم تا در مدت 10 دقیقه 1000 کیلوگرم بخار تولید کند دارای ظرفیت 6000 کیلوگرم بر ساعت میباشد ، حال اگر دستگاهی وجود داشته باشد که بخار را در خود ذخیره کند تا در 10 دقیقه معهود به همراه دیگ بخار 1000 کیلوگرم بخار به سیستم پس بدهد می توان دیگ بخاری به ظرفیت 1000 کیلوگرم تهیه کرد . با محاسبه سر انگشتی دیگ بخار به ظرفيت1000 کیلوگرم بر ساعت در عرض 10 دقیقه 167 کیلوگرم بخار تولید می کند و در پنجاه دقیقه بعد 834 کیلوگرم ، اگر در طول این 50 دقیقه بخار خود را جهت ذخیره به سیستمی بدهد در 10 دقیقه انتهایی می تواند توسط آن ذخیره کننده و خود دیگ بخار جمعا 1000 کیلوگرم به مصرف کننده بخار بدهند . حال خواننده قیمت دیگ بخار 6000 کیلوگرم بر ساعت که حدودا 650 میلیون ریال با دیگ بخار به ظرفیت 1000 کیلوگرم بر ساعت به قیمت حدودا 250 میلیون ريال مقایسه نماید متوجه میشود که این ذخیره کننده چقدر می تواند در اقتصاد کارخانه کمک نماید .

امروزه دیگهای بخار در حجم و ظرفیت مشابه خود نسبت به 40 الی 50 سال پیش بسیار کوچکتر و کم حجم تر شده اند دلایل کاهش حجم عبارتند از :   

1-پیشرفت تکنولوژی ساخت

2 وجود فولادهای جدید که تحمل فلاکس حرارتی بیشتری دارند

3 وجود تحقیقات و آزمایشگاههای گسترده در نحوه انتقال حرارت

4 و از همه مهمتر پیشرفت مشعلهای صنعتی جدید که راندمان سوختن سوخت را بسیار افزایش داده اند .

 وجود پیشرفتهای فوق که منجر به کاهش حجم بویلرها گردیده اما سبب آن شده است که بویلرها در مقابل نوسانات مصرف کننده بسیار حساس شوند و با افزایش لحظه ای مصرف، آژیرها و اعلام خطرها و در نتیجه خاموشی مشعل را به همراه داشته باشد .

 

جدول زیر مقدار کاهش ابعاد دیگهای بخار مدرن را نسبت به بویلر های 30 سال پیش را نشان میدهد .

sch-accu

فرض کنیم یک دیگ بخار معمولی به قطر 2200 میلیمتر و ارتفاع فضای بخار 800 میلیمتر و طول مفید آبگیر بویلر 4000 میلیمتر می باشد.مقدار بخار ذخیره شده برابر است با:

1111

                                                                                                                                                                       X = H/D               X = 800/2200 = 0.3636 

با داشتن مقدار X از جداول استوانه های نیمه پر نسبت سطوح نیمه پر به پر برابر مقدار A/At = 0.324 میگردد .                                      

سطح مقطع فضای بخار :                                                 × 0.324 = 1.23 m²                                      π ²1.1

حجم فضای بخار:                                                                                                            ³ 4 × 1.23 = 4.29 m

اگر دیگ بخار با فشار 10 اتمسفر مطلق کار کند طبق جدول ترمودینامیکی مقدار حجم ويژه برابر با 0.19444  متر مکعب بر کیلوگرم میشود . اگر حجم فوق بر حجم ويژه تقسیم شود مقدار 25.3 کیلوگرم بخار ذخیره خواهد شد. همان گونه که مشاهده میشود این ذخیره بخار بسیار کم میباشد .

بسیاری از مصرف کنندگان سوال میکنند آیا میشود یک مخزن ذخیره بمانند آب و یا آبگرم برای بخار در نظر گفت یا نه ؟                                                                      .

فرض کنیم مخزنی با فشار کاری 10 اتمسفر و ابعاد دیگ بخار مثال بالا جهت ذخیره بخار استفاده شود مقدار بخاری که در کل این حجم ذخیره میشود برابر است با :     

                                                                کیلوگرم                     78.2   = 0.19444  / 15.2

حال سوال پیش می آید چگونه بخار را ذخیره کنیم ؟

اکومولاتور دستگاهی است که بخار را در درون آب بشکل” انرژی داخلی” ذخیره میکند و معمولا جهت ذخیره بخار حتما باید اختلاف فشاری بین دیگ بخار و مصرف کننده وجود داشته باشد .

اکومولاتور مخزنی است که 50 % الی 90 % حجم آن پر از آب است . کنترل کننده سطح این حجم را تعیین می کند. بصورت افقی و عمودی کاربرد دارد . موتور خانه ای که دارای ارتفاع مناسب می باشد بهتر است عمودی و در غیر این صورت بشکل افقی استفاده می شود .

(( آب درون اکومولاتور توسط بخار دیگ گرم شده انرژی بخار را بشکل” انرژی داخلی” در فشاری معادل فشار دیگ بخار در خود ذخیره می کند )) .  زمانیکه مصرف کننده مصرف بخار دارد بطور موازی با بویلر انرژی داخلی خود را بشکل بخار به مصرف کننده می رساند که کمک زیادی به کاهش ظرفیت بویلر می کند .وجود اکومولاتور به نوعی جلوی نوسانات تغذیه مصرف کننده بخار را گرفته و در یک حد ثابت نگه می دارد .

محاسبات ظرفیت ذخیره سازی آکومولاتور بشرح ذیل می باشد.

فرض کنیم مخزن ذخیره در مثال بالا را داریم که تا ارتفاع 1400 میلی پر از آب می باشد مقدار حجم و یا جرم درون آن را محاسبه می کنیم .

×1000/4 = 15205 lit    × 4 π ²2.2  

15205 – 4920 = 10285 lit

وزن مخصوص آب در 20 درجه سانتی گراد برابر با :

(@20)=998 kgρ

جرم آب موجود داخل مخزن برابر است با :

m = 10285 ×998/1000 = 10264 kg

 

 

بویلر بخار خود را 10 اتمسفر به اکومولاتور می دهد و از پايين توسط افشانکهای بخار آب گرم میشود . آب داخل ابتدا به دمای 100 درجه می رسد سپس شروع به تبخیر کرده و فضای بالای مخزن پر از بخار می شود تا به فشار تنظیم شده از قبل برسد . حال ببینیم چقدر انرژی در اکومولاتور ذخیره شده است .

انرژی موجود آب در ابتدا :

( دمای آب ابتدا 20 درجه فرض شده است )                   Q=mCT = 10264 ×4.2 ×20 = 862176 kj

انرژی موجود آب در انتها یعنی 180 درجه سانتی گراد و 10 اتمسفر

QF=mCT + m Sl . hg

( در مثال بالا hg مقدار آنتالپی بخار در دمای 180 درجه سانتی گراد . )

( از جداول ترمودینامیکی آب hg = 2778.1 kj / kg  برابر فشار 10 اتمسفر خلاء)

QF = 10264 ×4.2×180+78×2778.1  kj/kg = 7976276 kj  

 

مقدار تغییر ابتدا و انتها برابر است با  :

ΔQ= QF – Q = 7976276 – 1274616 = 711411 Kj  

جرم بخاری که جذب شده است تا بحالت انتهایی برسد را می توان محاسبه کرد که توسط دیگ بخار به اکومولاتور داده شده است .

ms =ΔQ/hfg = 7114100/2015 = 3530 kg

Hfg  گرمای نهان تبخیر در 180 درجه سانتی گراد .

 

مرحله دوم : انرژی داخل اکومولاتور در زمانیکه مجموع انرژی آن در فشار 1 اتمسفر باز میشود .

ابتدا انرژی داخل اکومولاتور را محاسبه می کنیم .

Hg(@1atm 100 ċ ) = 2675.5 kj/kg

QF ( @ 1 atm , 100 ċ ) = 10264 ×4.2×100 = 4310880

m(@ 1 atm 100 ċ ) = 4.92/1.6940=2.9 kg

 

 

 

 

 

مقدار ذخیره بخار جهت یک مصرف کننده با فشار یک اتمسفر برابر است .

Qtot ( @ 1atm ,100ċ)= Qf + mhg = 4310880+280 ×2778 = 4381190 kj

ms=ΔQ / hfg

این اختلاف را اگر در 4 اتسمفر بر آورد کنیم .

ms=(@ 4 atm ) = 1166 kg

بالاخره جهت 8 اتمسفر

ms(@8atm) = 3630 kg

2222

نحوه اجرا :

در شکل 3 همانطوریکه دیده میشود بخار از بویلر به آب داخل اکومولاتور تزریق میشود پس از اینکه فشار و دمای اکومولاتور به دمای و فشار بویلر رسید هر دو دستگاه در تعادل میمانند تا شیر مصرف کننده باز شده و هر دو بویلر و اکومولاتور بطور موازی سیستم را تغدیه کنند توجه شود که وجود شیر فشار شکن نیز باید در خط قرار گیرد مگر اینکه مصرف کننده در فشار اتمسفریک کار کند .

 3333

                                                                               

 

انتخاب دستگاه :

اگر ظرفیت اکومولاتور به درستی انتخاب نشود موجب اختلال در سیستم میشود .اگر مقدار آب داخل زیاد باشد  حرارتی که جذب میکند برابر ظرفیت بویلرشده  مصرف کننده باید صبر کند تا اکومولاتور به حد اشباع برسد .

مفهوم این حرف یعنی معطلی کار بنابراین در چنین زمانهایی بهتر است مقداری از آب داخل اکومولاتور را خالی کنیم و اگر ظرفیت اکومولاتور را درست انتخاب نکنیم خود اکومولاتور بعنوان یک مصرف کننده در خط مصرف بخار را افزایش میدهد .