درمورد بخار چه می دانیم اطلاع از دانش و علم بخار و چیست بخار

درمورد بخار چه می دانیم?

به منظور درک بهتر از علم و دانش بخار، مناسب است که ساختار مولکولی و اتمی بخار و بدنبال آن آب و یخ شناخته شوند.

یک مولکول، کوچکترین عضو تشکیل دهنده ماده است که می تواند با حفظ تمامی خواص شیمیایی آن ماده وجود داشته باشد.

مولکول ها خود از عناصر کوچک تری بنام اتم تشکیل شده اند که مشخص کننده عناصر پایه نظیراکسیژن یا هیدروژن هستند. ترکیب خاص مولکول ها با یکدیگر منجر به تشکیل ماده مرکب می شود.

این مواد با فرمول های شیمیایی نظیر H2O که دارای مولکول هایی مرکب از ۲ اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن می باشد، نشان داده می شوند.

از آنجائی که هیدروژن و اکسیژن در بسیاری از ترکیبات موجود در کره زمین وجود دارند، آب نیز بسیار در دسترس و ارزان می باشد.

کربن نیز المان دیگری از مواد است که در بسیاری از ترکیبات بنیادی به چشم می خورد. بسیاری از مواد می توانند در سه حالت جامد، مایع و گاز وجود داشته باشند که از آن ها بعنوان فاز نام برده می شود.

در مورد H2 O ، فازهای مختلف با عناوین یخ ، آب و بخار اسم گذاری شده است.

-نقطه سه گانه آب چیست؟

در فازهای گاز ، مایع و جامد فقط در یک نقطه ثابت دما و فشار می توانند با هم در تعادل باشند که به نقطه سه گانه معروف است.

نقطه سه گانه آب که تمامی فازها در حال تعادل می باشند، در دمای ۲۷۳٫۱۶K فشار مطلق ۰٫۰۰۶۱۱۲ bar رخ می دهد.

این فشار بسیار نزدیک به خلاء مطلق است و در صورت کاهش بیشتر فشار در این دما، یخ مستقیما به بخار تبدیل می شود.

-یخ چیست؟

در فاز جامد (یخ)، تمامی مولوکول ها در یک شبکه بهم پیوسته قفل شده و فقط ارتعاش می نمایند.

حرکت مولکولی در این فاز، بسیار نزدیک به هم بوده و کمتر از اندازه یک مولکول می باشد.

افزایش حرارت باعث افزایش و جدا شدن تعدادی از مولکول ها از مولکول های مجاور گشته و به دنبال آن تغییر حالت جامد به مایع و عمل ذوب شروع می شود.

آنتالپی ذوب

(این شرایط در دمای صفر درجه و مستقل از فشار است). مقدار انرژی که باعث شکسته شدن پیوندهای بین مولکولی و تغییر فاز، بدون افزایش دمای یخ می گردد به آنتالپی ذوب معروف می باشد.

این تغییر فاز برگشت پذیر بوده و در صورت آزاد شدن همان مقدار انرژی به محیط اطراف، قابل انجام است.

چگالی اکثر مواد در هنگام ذوب کاهش می یابد ولی در مورد H2O این امر برعکس بوده، بطوری که افزایش چگالی آب نسبت به یخ مشاهده می شود. (دلیل شناور ماندن یخ بر روی آب همین مساله می باشد).

-آب

در فاز مایع مولکول ها آزادانه حرکت کرده ولی همچنان به علت نیروی جاذبه بین مولکولی در فاصله کمی حرکت می نمایند. افزایش حرارت باعث افزایش حرکات بین مولکولی و افزایش دما تا دمای جوش می گردد.

-آنتالپی آب، آنتالپی مایع یا گرمای محسوس آب (hr)

این پارامتر میزان انرژی لازم جهت افزایش دمای آب از میزان ۰۰c تا دمای جوش می باشد. در دمای صفر درجه سانتی گراد، آنتالپی آب صفر در نظر گرفته شده و بنابراین تمامی دماهای دیگر با توجه به این مرجع سنجیده می شود.

علت استفاده از واژه گرمای محسوس تغییر دمای محسوس آب با افزایش انرژی می باشد.

در فشار اتمسفریک (۰ barg)، در دمای ۱۰۰۰c به جوش آمده و به منظور گرمایش یک کیلوگرم آب صفر درجه تا دمای صد درجه، مقدار ۴۱۹ kj/kg0c انرژی لازم است.

-بخار چیست؟

با افزایش دمای آب و رسیدن به دمای جوش، برخی از مولکول ها دارای انرژی جنبشی کافی می گردند، به طوری که می توانند به فضای بالای سطح مایع فرار کرده و جدا شوند.

افزایش حرارت باعث افزایش تعداد مولکول های فراری و سپس تشکیل حباب های بخار در داخل مایع می شود که در سطح آب می ترکند.

با در نظر گرفتن ساختار مولکولی، فاز مایع و بخار و فاصله زیاد مولکول ها در فاز بخار، دیده می شود که چگالی فاز بخار بسیار کمتر از چگالی آب است، بنابراین فضای بالای مایع به سرعت از مولکوله ای با چگالی پایین تر انباشته می شود.

وقتی تعداد مولکول هائی که آب را ترک می نمایند، از مولکول هائی که دوباره به آن برمی گردند بیشتر شود، آب بصورت آزاد شروع به تبخیر می نماید.

دمای اشباع

در این نقطه آب به دمای جوش یا دمای اشباع خود می رسد، چرا که با انرژی حرارتی اشباع شده است. افزایش بیشتر حرارت با ثابت ماندن فشار، باعث تغییر دمای مضاعف نشده و فقط منجر به تشکیل بخار می گردد.

دمای آب جوش و بخار اشباع در فشار ثابت یکسان بوده، ولی میزان انرژی واحد جرم در فاز بخار بسیار بیشتر از فاز مایع است. در فشار اتمسفریک دمای اشباع ۱۰۰۰c است.

با این وجود، در صورت افزایش فشار، امکان انتقال در فشار حرارت بیشتر بدون تغییر مایع وجود دارد. بنابراین افزایش فشار باعث آنتالپی مایع و دمای اشباع می گردد.

رابطه بین اشباع و فشار به منحنی اشباع بخار معروف است(شکل۱ ، ۲ ، ۲)

آب و بخار در هر فشاری روی منحنی فوق بصورت مشترک و در شرایط دمای اشباع وجود دارند. بخاری که در شرایط دمائی بالاتر از این منحنی قرار دارد به بخار سوپرهیت معروف است.

-مقدار اختلاف دمای بالاتر از دمای اشباع به درجه سوپرهیت معروف است.

-آنتالپی تبخیر یا گرمای نهان (hrg)

این پارامتر مقدار انرژی لازم جهت تغییر فاز آب در حال جوش به بخار می باشد. در این فرآیند هیچ گونه افزایش دمایی رخ نداده و تمام انرژی صرف تغییر فاز می شود.

اصطلاح قدیمی گرمای نهان بعلت عدم تغییر دما با وجود افزایش انرژی می باشد، ولی اصطلاح مناسب تر گرمای تبخیر است.

همانند تغییر فاز یخ به آب، فرآیند تبخیر نیز قابل برگشت است. در فرآیند چگالش، میعان یا کندانس، همان مقدار انرژی که در تولید بخار صرف شده است به محیط اطراف پس داده می گردد.

این پدیده در هر زمان که بخار با سطوح سردتری در تماس قرار گیرد، اتفاق می افتد.

این مقدار انرژی، انرژی موثر و مفید بخار در کاربردهای حرارتی است، زیرا دقیقا میزانی از انرژی است که هنگام تبدیل بخار به کندانس آزاد می شود.

-آنتالپی بخار اشباع یا انرژی کل بخار اشباع(hg)

این پارامتر انرژی کل بخار اشباع بوده و به راحتی از مجموع آنتالپی آب و آنتالپی تبخیر به دست می آید:

که در آن:

آنتالپی (و دیگر خواص) بخار اشباع به راحتی با استفاده از جداول تجربی موجود که به جداول بخار اشباع معروف است به دست می آیند.

-جدول بخار اشباع

جدول بخار اشباع، بیان کننده خواص مختلف بخار در فشارهای متفاوت است. این اعداد از آزمایشات واقعی منتج شده اند. جدول ۱ ، ۲ ، ۲ نشان دهنده خواص بخار اشباع در فشار اتمسفریک یا ۰ bar g می باشد.

جدول بخار اشباع

در مورد بخار فلاش چیست؟

بخار فلاش معمولا در بخار آزاد شده از ونت تانک ها و مخازن کندانس و یا خطوط کندانس خروجی از تله های بخار به چشم می خورد.

این نوع بخار بدون افزایش حرارت به آب و مستقیما در اثر تقلیل فشار آب از فشار بالاتر به پایین تر تشکیل می گردد (در واقع درصدی از آب به بخار تبدیل می شود) (شکل۴ ، ۲ ، ۲)

بخار فلاش

یک کیلوگرم کندانس در فشار ۵barg و دمای اشباع ۱۵۹۰c را در نظر بگیرید که از طریق یک تله بخار به اتمسفر یا فشار ۰barg تخلیه می شود.

مقدار انرژی موجود در یک کیلوگرم کندانس ورودی برابر ۶۷۱KJ می باشد(hr). این مقدار انرژی طبق قانون اول ترمودینامیک، برابر مقدار انرژی در قسمت ورودی و خروجی تله بخار (فشار بالا و پایین) ثابت است.

بنابراین مقدار انرژی آب خروجی تله نیز ۶۷۱KJ خواهد بود.

با نگاه به جدول بخار، مقدار انرژی قابل ذخیره در آب با فشار ۰barg برابر ۴۱۹ Kj است و بنابراین مقدار انرژی ۶۷۱-۴۱۹=۲۵۲ kj در خروجی مازاد خواهد بود که نمی تواند بصورت آب وجود داشته باشد.

این مقدار انرژی مقداری از کندانس خروجی را تبخیر می نماید که به بخار فلاش معروف است و از این فرآیند با جوشش آب یا فلاشینگ نام برده می شود.

مقدار بخار فلاش تولیدی در فشار ثانویه (p2) با استفاده از معادله ۵ ، ۲ ، ۲ قابل محاسبه است:

مقدار بخار فلاش تولیدی در فشار ثانویه

دمای کندانس

مثال ۳ ، ۲ ، ۲: حالتی که دمای کندانس فشار بالا بیشتر از دمای کندانس فشار پایین است.

آب با فشار ۵barg و دارای ۶۷۱ kj/kg انرژی حرارتی در دمای اشباع ۱۵۹ ۰c می باشد.

درصورت کاهش فشار به فشار اتمسفریک (۰barg) آب تنها در دمای ۱۰۰ ۰c و با انرژی ۴۱۹ kj/kg وجود خواهد داشت. تفاوت ۲۵۲ kj/kg در انرژی حرارتی باعث تولید بخار فلاش در فشار اتمسفر می گردد.

در واقع میزان بخار فلاش تولیدی برابر با نسبت مازاد بر انرژی تبخیر فشار ثانویه می باشد.

۳-۲-بخار سوپرهیت بطور علمی چیست؟

در صورت تماس بخار اشباع تولید شده در دیگ با سطوح دمای بالاتر ، دمای بخار به بالاتر از دمای تبخیر افزایش خواهد یافت.

به این بخار، بخار سوپرهیت گفته شده و به تفاوت دمای بخار اشباع و دمای افزایش یاقته بخار درجه سوپرهیت اتلاق می گردد.

سوپرهیت نمودن بخار در صورت وجود آب درون بخار ممکن نبوده و افزایش حرارت موجب تبخیر قطرات آب خواهد شد.

بمنظور گرمایش مجدد، بخار اشباع باید از درون یک مبدل حرارتی عبور نماید. این مبدل می تواند قسمت ثانویه ای در داخل بویلر بوده و یا بصورت سوپرهیت جداگانه باشد.

سیال گرم کن نیز می تواند گازهای داغ خروجی مشعل بوده و یا اینکه مشعل جداگانه ای تعبیه شود.

کاربردهای بخار سوپرهیت

بخار سوپرهیت در کاربردهای خاصی استفاده می شود، بعنوان مثال در توربین های بخار از بخار سوپرهیت جهت عبور از نازل ها و هدایت به سمت رتور استفاده شده که منجر به چرخش رتور می شود.

از آنجائیکه انرژی لازم فقط از طریق بخار تامین می شود، بنابراین بخار خروجی از رتور دارای انرژی کمتری خواهد بود.

در صورتیکه بخار در دمای اشباع باشد، این کاهش انرژی منجر به کندانس قسمتی از بخار می شود.

بخار سوپرهیت در توربین ها

توربین ها دارای طبقات مختلفی هستند، بخار خروجی از اولین قسمت به سمت محور رتور دوم هدایت می شود در واقع با هدایت بخار در طول طبقات توربین، رطوبت آن افزایش پیدا خواهد نمود.

این شرایط نه تنها باعث ایجاد ضربه چکش خواهد شد، بلکه قطرات آب موجب خوردگی شدید پره های توربین می گردند.

راه حل جلوگیری از این مشکلات، استفاده از بخار سوپر هیت در ورودی توربین و استفاده از انرژی آن جهت چرخش رتور بوده که در نهایت بصورت بخار تقریبا اشباع از توربین خارج می شود.

علت دیگر استفاده از بخار سوپرهیت در توربین های بخار، افزایش راندمان حرارتی می باشد.

بازده ترمودینامیکی یک موتور حرارتی نظیر توربین، توسط دو تئوری زیر قابل محاسبه است:

-سیکل کارنو که در آن تغییرات دمای بخار خروجی و ورودی با دمای ورودی مقایسه می شود.

-سیکل رانکین که در آن تغییرات انرژی حرارتی بخار ورودی و خروجی با کل انرژی ورودی مقایسه می شود.

اطلاعات بیشتر و تکمیلی تر را در مقاله بخار چیست؟ می توانید مشاهده نمایید.