שיפור מערכת קירור של מפעל מזון

צנרת ובידוד
צנרת
במפעל נהוג להשתמש בצינורות PVC להדבקה עבור קוי מים המשרתים תהליכים רבים. בפרק "תכנון ראשוני" החלטנו לנצל את הקו(4 אינץ') המוביל לאחד הצרכנים של מערכת "מים קרים". זהו מחליף חום הממוקם בקירבה לקו של המערכת "אגירת קרח", בזאת נוכל לחסוך בצנרת. את מחליף החום החדש נצמיד לצרכן הקיים ונקשר ביניהם בעזרת קו מאוד קצר.
כרגע נתרכז בבחירת הצנרת המתאימה לקו שיקשר בין הקו הראשי של "אגירת קרח" למחליף חום והקו שמחזיר את המים המתחממים לקו המוביל חזרה לבריכת קרח. אורך של כל קו כ-30 מטר. מדידה יותר מדויקת נעשה בהמשך כאשר נחשב את ההפסדים בצנרת. לפי הטבלה מס' 5 קוטר הצינור המתאים לדרישות שלנו הוא 4 אינץ'. בחרנו בשורה של הפסד מקסימלי כי זהו ההפסד בהעברה ספיקה מסוימת למרחק אינסופי. במקרה שלנו הקו קצר מאוד ולכן נוכל להשתמש בקוטר המינימלי עבור הספיקה של משאבת ההזנה של "אגירת קרח" (60 טון לשעה).
המשאבה מתוכננת לתת את אותה הספיקה בעומד של 30 מטר (3 אטמ') , אבל אסור לנו לשכוח את התופעה הנקראת "פטיש הלחץ". כאשר סוגרים ברז בפתאומיות, אזי המים נעצרים והם גורמים למפל לחץ אדיר על הצינורות. הלחץ עולה פי 3 מעל הערך הרגיל ולכן אנו חייבים להשתמש בצינורות העומדים בלחץ של 9 אטמ'.נבחר בצנרת PVC -דרג 10,לחץ עבודה מירבי 10 אטמ'.

תאור סכמאתי של קוים מתוכננים:

מפתח:
1) מחליף חום.
2) קו חזרה ל"ארגז קרח".
3) קו כניסה של "מי קרח".
4) קו כניסה של "מים קרים" המגיע מהצרכן של מערכת "מים קרים.
5) קו חזרה לבריכת "מים קרים".
6) קו חזרה ראשי ל"ארגז קרח".
7) קו ראשי של "מי קרח".

בנוסף לצנרת PVC נשתמש במגוון רחב של אבזרים. הייצרן הגדול של אבזרי PVC הינו מפעל "פלסאון", נעזר בקטלוג על מנת שנוכל לבחור רכיבים מתאימים:

1) מצמד מופה/הדבקה-חיבור צינורות.................................. 2) הסתעפות/הדבקה

3) זווית/הדבקה ...................................................................4) אוגן חופשי

5) מעבר אוגן/הדבקה ..........................................................6) גומיה שטוחה למחברי אוגן

הערה: כל האבזרים והאוגנים לצנרת PVC מתאימים למערכות צנרת הפועלות בלחץ עד 16 בר.

בידוד
סוג הבידוד הנפוץ עבור צנרת נוזלים קרים הוא פוליאוריטן מוקצף. את עובי הבידוד הדרוש נוכל להוציא מתוך הטבלה מס' 6. זוהי טבלה הכוללת גם את מחיר החומרים(אטימה+פח לבן/כחול) וגם העבודה לפי מטר אטימה רץ (מ"א) על פי המחירון של החברה המתמחה בבידוד צנרת- "ב.פ. בידוד פרוייקטים בע"מ".
תוספת למחירים:
קשת, אוגן, קונוס = 1 מ"א.
ברז, צינור גמיש = 2 מ"א.
רוזטה, מכסה = 0.5 מ"א.

שירטוט של צינור מבודד עם תמיכה:

שירטוט מפורט עם חתך:


מפתח:
1) תמיכה.
2) קובית עץ למניעת מעיכה של המבודד.
3) צינור PVC.
4) פוליאוריטן מוקצף.
5) פח.

את המרחק בין התמיכות קובעים על פי הטבלה מס' 7 עבור צינורות בקוטר "4 דרג 10.

ברזים ומפעילים
לפי התכנון הראשוני אנו חייבים לשים ברז מפוקד בקו המוביל מהמערכת "אגירת קרח" כי כל הצרכנים מוזנים ע"י משאבה אחת והברזים המפוקדים מפנים את המים לצרכן הרצוי. בנוסף אנחנו חייבים להתקין ברזים ידניים בכל כניסה ויציאה ממחליף החום. הסיבה לכך היא שבמקרה של תקלה או טיפול במחליף החום צריך להפריד(למנוע הגעת מים) אותו מכלל המערכת, זאת ניתן להשיג רק י"ע התקנת ברזים. מכיוון שמחליף החום יעמוד בטור עם מחליף חום נוסף(צרכן של מערכת "מים קרים"), אזי נוכל להשתמש בחלק מהברזים שהותקנו קודם.
מצב קיים:

מצב סופי לפי התכנון:

בצורה כזאת אנו משתמשים בשני ברזים קיימים ונצטרך להוסיף עוד שני ברזים-ברז מפוקד וברז ידני.

קיימים סוגים רבים של ברזים, שני הסוגים הנפוצים ביותר בצנרת מים הם:
1) ברז כדורי

2) ברז פרפר

ברזים כדוריים מיועדים ללחצים גבוהים ואטימות מושלמות, לכן הם גם הרבה יותר יקרים מברזים פרפריים. אבל המערכת שלנו מתוכננת לעבוד בלחצים יחסית נמוכים - 10 בר במקרה של "פטיש הלחץ" ו- 3 בר במצב עבודה מתמיד. זה אומר שהברז מסוג פרפר יכול לעמוד בכל הדרישות ובנוסף הוא מאוד קל להרכבה או החלפה בזכות המבנה שלו.
אחד הספקים הגדולים של אביזרי צנרת שאיתו עובד המפעל הוא "נופים". לפי הקטלוג שלהם בחרנו שני ברזים שיתאימו לצנרת של "4:
1) ברז ידני ..............................................................................2) ברז עם הכנה למפעיל פניאומאטי



בשלב הבא נבחר מפעיל שיאפשר לנו שליטה בברז בעזרת לחיצת כפתור במחשב של העובד. המפעיל המתאים לברז מסוג זה הינו מפעיל תוצרת Norbro.

עיקרון העבודה:
ישנן שתי כניסות אוויר, כל כניסה גורמת לסיבוב של הציר המחובר לציר הברז. הכנסת אוויר בלחץ דרך כניסה מס'1 גורמת לפתיחה של הברז תוך כדי סיבוב נגד כיוון השעון, הכנסת אוויר דרך כניסה מס' 2 גורמת לסגירה של הברז תוך כדי סיבוב עם כיוון השעון. האוויר מגיע משסתום חשמלי המקבל את הפקודות מהבקר.
על מנת שנוכל לבחור בגודל המפעיל הנכון אנחנו חייבים לדעת שני פרמטרים: מומנט דינמי הדרוש לסיבוב הברז ואת לחץ האוויר המגיע מהשסתום. מתוך הטבלה מס' 8 ניתן לראות שהמומנט הדרוש הוא 40 Nm. לחץ האוויר המסופק לכל הצרכנים במפעל הוא כ-4.5 בר. כעת נוכל לבחור מפעיל מתאים על פי הטבלה מס' 9.

שירטוט התקנת הברז:

מפתח:
1) ברז פרפר.
2) מעבר אוגן/הדבקה.
3) אוגן חופשי.
4) צינור PVC.
5) בורג.

חישוב הפסדים
בפרק הזה אנחנו נתמקד בשני סוגים של הפסדים- הפסדים מכניים עקב זרימה בצנרת והפסדים תרמיים לסביבה.

הפסדים מכניים
ההפסדים המכניים מורכבים משני גורמים עיקריים:
1) הפסדים אורכיים עקב חיכוך בצנרת. את ההפסד מחשבים לפי הנוסחה של דארסי-ויסבאך
v-מהירות זרימה ממוצעת בצינור.
l-אורך הציניר.
d-קוטר הצינור.
f-מקדם חיכוך בין הזורם לצינור.

2) הפסדים מקומיים הנוצרים עקב הפרעה מקומית בקו הזרימה. החישוב נעשה לפי הנוסחה הבאה

........................................................................................................................................................................
נוסחה כללית לחישוב ההפסדים:

.........................................................................................................................................................................

k- מקדם ההפסד עבור אביזרים שונים. את ערכו נוציא מהספרות:

















ניתן לראות שגם מקדם ההפסדים המקומיים תלוי במקדם החיכוך, אותו נוכל למצוא בהתאם למשטר הזרימה. בפרק של חישוב מחליף החום חישבנו את מהירות הזרימה עבור ספיקה של 60 טון לשעה דרך צנרת של "4 V=2.13m/sec. כעת נוכל לחשב את מספר רינולדס:

לפי מספר רינולדס קיבלנו זרימה טורבולנטית מפותחת. ידוע גם שצינורות עשוים PVC נחשבים לחלקים הידראולית, לכן על פי דיאגרמת מודי מתקבל f=0.027.

בשלב הזה נוכל לחשב את ההפסדים, את מספר וסוג האביזרים הגורמים להפסדים מקומיים נוכל לראות מתוך השירטוט של קווים מתוכננים. אורך הקווים לפי אותו השירטוט כ- 60 מטר:

ההפסד המכאני שהתקבל עומד בדרישות- משאבות ההזנה מתוכננות לתת ספיקות נתונות לעומד של 30 מטר.

הפסדים תרמיים
נחשב הפסדים רק עבור הקו המחבר בין מחליף החום לקו הראשי של מי קרח, כי הפסד החום בקו חזרה ממחליף החום פחות חשוב לנו. נתמקד בחתך הבא:
מפתח:
A- צינור PVC.
B- פוליאוריטן מוקצף.
Ti- טמפ' של המים, כמעלת סלזיוס אחת.
T3- טמפ' על פני הבידוד (הזנחנו את השיכבה של הפח המכסה את הבידוד כי אין לה השפעה על מאזן תרמודינמי עקב מוליכות תרמית גבוהה).
To- טמפ' הסביבה, כ-30 מעלות סלזיוס.
r1=50 mm=0.05m
r2=55 mm=0.055m
r3=55mm+3"=0.1312m

את החום העובר לסביבה נוכל לחשב לפי משואת ניוטון לקירור:
הנעלמים בנוסחה הם מקדם הסעה וטמפרטורה על פני הבידוד. במקרה הזה מדובר בהסעה חופשית המאובחנת כתנועת הזורם (אוויר) בשל שינוי בצפיפות עקב חימום. בדומה להסעה מאולצת גם כאן ניתן למצוא בטבלאות את הערכים השונים עבור מקרים שונים. בקירוב נניח שכל הקו הוא צינורות אופקיים ולכן על פי הטבלה מס' 10 מקבלים:
.........................................................................................................................................................................
ניתן לראות שגם מקדם ההסעה תלוי בטמפ' על פני הבידוד, אותה נוכל למצוא בעזרת שוויון הבא:

........................................................................................................................................................................
את מקדמי ההולכה נוציא מתוך הטבלאות מס'11 ומס' 12:
........................................................................................................................................................................
בשלב הבא נחשב את מקדם ההסעה הפנימית (הסעה מאולצת) עבור זרימה בתוך צינור בקוטר "4. נשתמש באותם נתונים ונוסחאות שהשתמשנו בחישוב של מחליף החום:

.........................................................................................................................................................................
לפי משואת ניוטון:

קיבלנו הפסד המהווה כ-0.06% מהחום המועבר למחליף החום(441000 ואט), זה אומר שתכנון הבידוד היה טוב.

משך ביצוע הפרויקט כ - 15 ימי עבודה לפי 30$ לשעת עבודה של בעל מקצוע עם עוזר. לכן עלות הפרויקט הכוללת גם את הרכיבים, האביזרים והעבודה היא 59979.6 ש"ח.