Berekenen lucht toevoer
Sjoerd stelde deze vraag op 18 oktober 2018 om 16:32.Voor een opdracht voor stage moet ik de beluchting van een atmosferische opslagtank dimensioneren. De beluchting zit boven op de tank en zorgt er voor dat de tank niet kan imploderen/exploderen wanneer die groot genoeg is. Het kritische punt is wanneer de tank volledig gevuld is met verzadigde lucht en waterdamp van 80 graden (na het automatisch schoonmaken) en er moet nagespoeld worden. Dit naspoelen gebeurd met koud water van 0-10 graden. Hierdoor koelt de lucht in de tank en condenseert het waterdamp. De dichtheid van de lucht en waterdamp daalt waardoor er volume te kort komt en er onderdruk ontstaat. Als de onderdruk te groot wordt klapt de tank in elkaar.
Welke formules kan ik gebruiken om het tekort aan volume te berekenen zodat ik daarna het beluchtingsgat kan berekenen en de rest van de beluchting?
De input die ik heb is:
Tankvolume
Temperatuur in de tank
Luchtvochtigheid bij 80 graden
Debiet naspoelwater
Temperatuur na spoelwater
Ik heb al wat berekeningen hier voor maar weet niet in hoeverre deze kloppen en of het op de goede manier berekend is.
Reacties
Theo de Klerk
op
18 oktober 2018 om 17:31
Het is altijd handig om je berekeningen dan ook te tonen - dat maakt het wat makkelijker om te zien of en waar je misschien de verkeerde afslag neemt.
Maar in theorie kom je al een eind met de ideale gaswet: pV = nRT
Als de temperatuur (T) verlaagt moet de druk p ook afnemen (als V constant blijft voordat het indeukt). Verzadigde waterdamp zal condenseren. Het was 100% en blijft 100% maar wel van een andere verzadigingsdamp bij andere temperatuur. Het teveel slaat neer als vloeibaar water (condens). Vergeleken met het tankvolume V denk ik niet dat dit een groot volume is. Maar als er na-spoelwater wordt toegevoerd en niet afgevoerd dan neemt alle water uiteindelijk een wellicht niet verwaarloosbaar volume in en wordt V navenant kleiner (V = Vo - Vdebiet . t als Vdebiet de volumestijging door spoelwater in 1 seconde is).
Drukverschil met buiten (1 atm) kan denk ik makkelijk voorkomen worden als een soort ventiel is ingebouwd, die buitenlucht inzuigt als de tank in temperatuur afneemt. Zo'n ventiel zou bij gebruik van de tank kunnen worden afgesloten en alleen bij spoelen worden opengezet.
Maar in theorie kom je al een eind met de ideale gaswet: pV = nRT
Als de temperatuur (T) verlaagt moet de druk p ook afnemen (als V constant blijft voordat het indeukt). Verzadigde waterdamp zal condenseren. Het was 100% en blijft 100% maar wel van een andere verzadigingsdamp bij andere temperatuur. Het teveel slaat neer als vloeibaar water (condens). Vergeleken met het tankvolume V denk ik niet dat dit een groot volume is. Maar als er na-spoelwater wordt toegevoerd en niet afgevoerd dan neemt alle water uiteindelijk een wellicht niet verwaarloosbaar volume in en wordt V navenant kleiner (V = Vo - Vdebiet . t als Vdebiet de volumestijging door spoelwater in 1 seconde is).
Drukverschil met buiten (1 atm) kan denk ik makkelijk voorkomen worden als een soort ventiel is ingebouwd, die buitenlucht inzuigt als de tank in temperatuur afneemt. Zo'n ventiel zou bij gebruik van de tank kunnen worden afgesloten en alleen bij spoelen worden opengezet.
Jan van de Velde
op
18 oktober 2018 om 18:29
dag Sjoerd,
zoek eens even de verzadigings-dampdruk van water op bij een temperatuur van 80°C
Dan weet je voor welk deel de tank is gevuld met waterdamp, die, zodra je er koud water in sproeit, heel snel zal condenseren en dus ineens een druk van 0 zal geven.
dat is dus nou net de crux van het verhaal als ik het goed begrijp, hoe groot moet dat "ventiel" worden?
Dat deel waterdamp dat zal condenseren zodra er koud water wordt ingesproeid zal dat ook acuut doen als je dat koude water effectief sproeit.
Voor zover ik zo gauw kan bedenken heb je dus voor de grootte van je ventiel te maken met vier parameters:
https://www.wetenschapsforum.nl/index.php/forum/62-thermodynamica-en-stromingsleer/
Groet, Jan
zoek eens even de verzadigings-dampdruk van water op bij een temperatuur van 80°C
Dan weet je voor welk deel de tank is gevuld met waterdamp, die, zodra je er koud water in sproeit, heel snel zal condenseren en dus ineens een druk van 0 zal geven.
Theo de Klerk plaatste:
Drukverschil met buiten (1 atm) kan denk ik makkelijk voorkomen worden als een soort ventiel is ingebouwd,Dat deel waterdamp dat zal condenseren zodra er koud water wordt ingesproeid zal dat ook acuut doen als je dat koude water effectief sproeit.
Voor zover ik zo gauw kan bedenken heb je dus voor de grootte van je ventiel te maken met vier parameters:
- - volumes lucht en damp bovenin de tank
- - temperatuur voor en na (ga voor worst case) want dat bepaalt bij die afkoelende lucht en condenserende waterdamp welk deel van dat ruimtevolume zal moeten worden aangevuld
- - tijdsduur van die temperatuurdaling: tegen acute afkoeling is geen ventiel opgewassen of het moet al half zo groot zijn als het "deksel" van je tank. En als je héél rustig afkoelt kun je met een gaatje van een paar centimeter diameter ook al toe. Dus ja, wat is worst case in dit geval? Fijn versproeid water koelt die damp héél snel, een waterstraal al heel wat rustiger. Hele moeilijke parameter om een veilige berekening op te baseren.
- - maximale drukverschil binnen-buiten dat de tank veilig kan hebben (hoe groter dat max drukverschil, hoe kleiner je gat kan blijven)
https://www.wetenschapsforum.nl/index.php/forum/62-thermodynamica-en-stromingsleer/
Groet, Jan
Sjoerd
op
19 oktober 2018 om 11:54
Goedemorgen Jan en Theo
De tanks die hier worden gebouwd en op deze manier worden gereinigd zijn maximaal 500 m3 met een ontwerp onderdruk van 5 mbar. Het reinigen en naspoelen gebeurt met soms 60 m3 per uur. Dus de beluchting is wel degelijk van belang inderdaad.
Ik denk dat ik dan aardig op de goede weg was met het bepalen van de dampdruk bij verschillende temperaturen aan de hand van de Antoine constanten. Hiermee kan de luchtvochtigheidsratio berekend worden en dus de massa waterdamp in de lucht. Met het verschil in massa per graad daling kan de warmte voor het condenseren bepaald worden met de verdamping/condensatiewarmte van water. Met de soortelijke warmte en het toegevoerde debiet kan de tijd berekend worden als ik het goed heb.
Daarna kan met de dichtheid de massa en zo het volume berkenen en het verschil daar in moet aangezogen worden maar dit moet ik nog even goed checken of het klopt.
Bedankt voor jullie reactie ik heb voor nu geen concrete vragen meer.
Met vriendelijke groet,
Sjoerd
De tanks die hier worden gebouwd en op deze manier worden gereinigd zijn maximaal 500 m3 met een ontwerp onderdruk van 5 mbar. Het reinigen en naspoelen gebeurt met soms 60 m3 per uur. Dus de beluchting is wel degelijk van belang inderdaad.
Ik denk dat ik dan aardig op de goede weg was met het bepalen van de dampdruk bij verschillende temperaturen aan de hand van de Antoine constanten. Hiermee kan de luchtvochtigheidsratio berekend worden en dus de massa waterdamp in de lucht. Met het verschil in massa per graad daling kan de warmte voor het condenseren bepaald worden met de verdamping/condensatiewarmte van water. Met de soortelijke warmte en het toegevoerde debiet kan de tijd berekend worden als ik het goed heb.
Daarna kan met de dichtheid de massa en zo het volume berkenen en het verschil daar in moet aangezogen worden maar dit moet ik nog even goed checken of het klopt.
Bedankt voor jullie reactie ik heb voor nu geen concrete vragen meer.
Met vriendelijke groet,
Sjoerd
Jan van de Velde
op
19 oktober 2018 om 13:39
Sjoerd plaatste:
Met het verschil in massa per graad daling kan de warmte voor het condenseren bepaald worden met de verdamping/condensatiewarmte van water.leuke filmpjes te vinden van olievaten die met stoom worden gevuld (dus 100% waterdamp), en dan afgesloten. Die kreukelen even later op als een colablikje. Maar niet leuk als dat me een industriële tank gebeurt. 5 mbar is niet veel.
groet, Jan
Sjoerd
op
19 oktober 2018 om 13:56
Ja dit had ik door en daarom doe ik hier ook onderzoek naar.
Kan ik met de condensatiewarmte (Q) die per graden vrij komt en met het debiet(kg/s) van het toegevoegde naspoelwater de tijd(s) berekenen met Q=(m/s).C.∆T wordt s=Q/(m.C.∆T)?
Kan ik met de condensatiewarmte (Q) die per graden vrij komt en met het debiet(kg/s) van het toegevoegde naspoelwater de tijd(s) berekenen met Q=(m/s).C.∆T wordt s=Q/(m.C.∆T)?
Jan van de Velde
op
19 oktober 2018 om 17:48
Dat wordt in de praktijk wel een beetje ingewikkelder, want dat spoelwater zal niet ineens opwarmen tot omgevingstemperatuur, ook dat heeft even tijd nodig. Om naar een eindsituatie te rekenen, of naar een tussensituatie (qua benodigde hoeveelheid spoelwater, eenmaal evenwicht bereikt) is prima te doen, maar om daar een tijd aan vast te knopen??
Een stel van die tussensituaties berekenen, grafisch uitzetten, en er van uit gaan dat elke evenwichtsituatie direct wordt bereikt als worst-case aanname lijkt me het veiligst.
Een stel van die tussensituaties berekenen, grafisch uitzetten, en er van uit gaan dat elke evenwichtsituatie direct wordt bereikt als worst-case aanname lijkt me het veiligst.
Sjoerd
op
22 oktober 2018 om 08:29
Het spoelwater wordt met een sproeibol boven in de tank er ingespoten en spuit 360 graden in het rond. Het spoelwater heeft dus veel contactoppervlak met het hete waterdamp. Zou je dan niet per graden uit kunnen rekeken hoe lang dit duurt? De eerste paar seconden van dit proces zijn kritisch ivm de drukval over de beluchting.
Theo de Klerk
op
22 oktober 2018 om 09:01
Dat zou je in een spreadsheet eens kunnen bekijken van seconde tot seconde:
- hoeveel sproeiwater per seconde
- temperatuur van sproeiwater en damp
- afkoeling damp agv sproeiwater (worst case: direct)
- condensatie damp indien oververzadigd (dwz terug naar 100% verzadiging)
- wegval bijdrage gasdruk door condensatie
en dat voor seconde na seconde. Het is niet een simpel formuletje want door temperatuursdaling verandert hoogte temperatuur 100% verzadigd en hierbij horende dampdruk.
- hoeveel sproeiwater per seconde
- temperatuur van sproeiwater en damp
- afkoeling damp agv sproeiwater (worst case: direct)
- condensatie damp indien oververzadigd (dwz terug naar 100% verzadiging)
- wegval bijdrage gasdruk door condensatie
en dat voor seconde na seconde. Het is niet een simpel formuletje want door temperatuursdaling verandert hoogte temperatuur 100% verzadigd en hierbij horende dampdruk.
Sjoerd
op
22 oktober 2018 om 09:26
Oke bedankt,
Het meeste had ik al in een excel sheet staan alleen dit waren niet mijn eigen berekeningen, hier in is de dampdruk per graden ook mee genomen. Ik ga er van uit dat het damp verzadigd is en niet oververzadigd omdat het dan uit zichzelf al condenseert.
Het meeste had ik al in een excel sheet staan alleen dit waren niet mijn eigen berekeningen, hier in is de dampdruk per graden ook mee genomen. Ik ga er van uit dat het damp verzadigd is en niet oververzadigd omdat het dan uit zichzelf al condenseert.
