بخار سوپرهيت چيست؟

بخار سوپرهیت چیست؟

بخار اشباع یکی از انواع بخار آب است. در حقیقت بخار انواع مختلفی دارد که برای استفاده صنعتی خاص از انواع مختلف آن استفاده می شود.

اگر شرایط به گونه ای باشد که در یک فشار مشخص دمای آب بالاتر از منحنی بخار اشباع وجود داشته باشد به آن اصطلاحا بخار سوپرهیت یا بخار فوق گرم گفته می شود. بنابراین در دمای سوپرهیت آب اصلا وجود ندارد فقط بخار خیلی داغ موجود است.

به همین دلیل می توان سرعت حرکت بخار سوپر هیت را بالاتر از بخار اشباع در نظر گرفت. در صورت تماس بخار اشباع تولید شده در دیگ بخار 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 یافته بخار درجه سوپرهیت اتلاق می گردد.

سوپرهیت نمودن بخار در صورت وجود آب درون بخار ممكن نبوده و افزایش حرارت موجب تبخیر قطرات آب خواهد شد. بمنظور گرمایش مجدد، بخار اشباع باید از درون یك مبدل حرارتی عبور نماید.

این مبدل می تواند قسمت ثانویه ای در داخل بویلر بوده و یا بصورت سوپرهیت جداگانه باشد. سیال گرم كن نیز می تواند گازهای داغ خروجی مشعل بوده و یا اینكه مشعل جداگانه ای تعبیه شود.

کاربردهای خاص بخار سوپرهیت

بخار سوپرهیت در كاربردهای 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 كه منجر به چرخش رتور می شود. از آنجائیكه انرژی لازم فقط از طریق بخار تامین می شود، بنابراین بخار خروجی از رتور دارای انرژی كمتری خواهد بود.

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 چكش خواهد شد، بلكه قطرات آب موجب خوردگی شدید پره های توربین می گردند.

راه حل جلوگیری از این مشكلات، استفاده از بخار سوپرهیت در ورودی توربین و استفاده از انرژی آن جهت چرخش رتور بوده كه در نهایت بصورت بخار تقریبا اشباع از توربین خارج می شود.

 

افزایش راندمان با استفاده از بخار سوپرهیت

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

بازده ترمودینامیكی یك موتور حرارتی نظیر توربین، توسط دو تئوری زیر قابل محاسبه است:

-سیكل كارنو كه در آن تغییرات دمای بخار خروجی و ورودی با دمای ورودی مقایسه می شود.

-سیكل رانكین كه در آن تغییرات انرژی حرارتی بخار ورودی و خروجی با كل انرژی ورودی مقایسه می شود.

مثال1 ، 3 ، 2:

بخار ورودی یك توربین در شرایط 90bara/450 ⁰c می باشد. بخار خروجی در فشار 0.06 bara (خلاء نسبی) بوده و دارای 10% رطوبت می باشد. دمای بخار اشباع 36.2 ⁰c است.

1 ، 1 ، 3 ، 2:بازده سیكل كارنو را محاسبه نمایید.

2 ، 1 ، 3 ، 2:بازده سیكل رانكین را محاسبه نمایید.

 

با بررسی سیكل های مذكور نتایج زیر حاصل می شود:

-درجه حرارت یا انرژی ورودی به توربین باید تا حد امكان بالا باشد كه به معنی بالا بودن فشار دما بشرط عملی بودن آن است. استفاده از بخار سوپرهیت ساده ترین و مناسب ترین روش جهت این امر می باشد.

-درجه حرارت یا انرژی خروجی توربین حتی المقدور پایین نگاه داشته شود كه بمعنی فشار و دمای حداقل عملی در این قسمت بوده و معمولا توسط كندانسوز در خروجی توربین تامین می گردد.

با توجه به وجود 10% آب درون بخار، مقدار انرژی واقعی بخار برابر 90% h_fg بوده و انرژی واقعی آب نیز 10% h_f می باشد.

-محاسبات مثال های 1 ، 1 ، 3 ، 2 و2 ، 1 ، 3 ، 2 بیان كننده راندمان ترمودینامیكی بوده و نباید با راندمان مكانیكی اشتباه گرفته شوند.

-اگر چه راندمان های محاسبه شده بظاهر كم بنظر می آیند، باید توجه نمود كه نباید به تنهایی جهت راندمان كل سیستم فرض شوند و فقط جهت مقایسه انواع موتورهای حرارتی بطور مثال توربین گاز یا بخار و یا موتور دیزل استفاده می گردند.

 

-جدول بخار سوپرهیت

جداول بخار سوپرهیت نشان دهنده خواص بخار در فشارهای مختلف می باشند. با این وجود، در بخار سوپرهیت رابطه مستقیمی بین فشار و دما وجود ندارد و در یك فشار خاص، دماهای متفاوتی جهت بخار سوپرهیت قابل تعریف است. معمولا جداول بخار اشباع با فشار نسبی و جداول بخار سوپرهیت با فشار مطلق درجه بندی می شوند.

مثال2 ، 3 ، 2:

مقدار انرژی اضافی در بخار سوپرهیت با دمای 400 ⁰c و در فشار (0 barg)1.013 bara نسبت به بخار اشباع در همان فشار را محاسبه كنید؟

این افزایش انرژی در نگاه اول مفید و قابل استفاده است ولی در واقع مهندسینی را كه می خواهند از این بخار در فرآیندهای گرمایشی استفاده كنند دچار مشكل می سازد. ظرفیت حرارتی مخصوص با تقسیم انرژی سوپرهیت بر اختلاف دمای بین بخار اشباع و سوپرهیت بدست می آید:

برخلاف ظرفیت حرارتی ثابت آب، این مقدار در بخار سوپرهیت با تغییر دما و فشار متغیر بوده و نمی تواند ثابت فرض شود. بنابراین عدد محاسبه شده 2.0kj/kg ⁰c فقط متوسط ظرفیت حرارتی مخصوص در محدوده دمای مشخص و برای فشار تعیین شده می باشد. رابطه مستقیمی بین فشار، دما و ظرفیت حرارتی مخصوص در بخار سوپرهیت وجود ندارد.

-آیا می توان از بخار سوپر هیت در فرآیندهای انتقال حرارت استفاده نمود؟

اگر چه بخار سوپرهیت سیال ایده آلی در كاربردهای گرمایشی نیست، با این وجود از این نوع بخار در سایت های صنعتی، خصوصا صنایع نفت و پتروشیمی استفاده می شود.

در این موارد، قبل از اینكه بگوئیم بخار سوپرهیت مزیت خاصی بر بخار اشباع جهت كاربرد حرارتی دارد، باید توجه كرد كه بخار سوپرهیت به علت استفاده در توربین های تولید نیرو مستقر در سایت، موجود و در دسترس می باشد.

در اكثر مواقع از بخار اشباع جهت كاربردهای گرمایشی استفاده می شود، حتی اگر مجبور به دی سوپرهیت كردن بخار باشیم. در بسیاری از سایت های پتروشیمی و پالایشگاهی نیز بخار سوپرهیت موجود تا حدود 10 درجه دی سوپرهیت شده و سپس جهت فرآیند گرمایش استفاده می شود.

این مقدار ناچیز نیز در تماس با قسمت های اولیه سطوح حرارتی منتقل می گردد. درجه های بالای بخار سوپرهیت غالبا مشكل ساز و غیراقتصادی بوده و بهتر است در كاربردهای گرمایش استفاده نشوند.

چند دلیل برای نامناسب بودن بخار سوپر هیت جهت گرمایش

1-انتالپی

-مقدار آنتالپی بخش سوپرهیت بخار در مقایسه با آنتالپی اشباع آن نسبتا كم می باشد. در صورتیكه بخار از درجه سوپرهیت كمی برخوردار باشد، به سرعت انرژی خود را از دست داده و به بخار اشباع تبدیل می شود و اگر درجه سوپرهیت بالا باشد، زمان زیادی جهت خنك شدن تا دمای اشباع صرف شده و در این زمان نرخ انرژی منتقل شده كم می باشد.

2-دمای بخار

-برخلاف بخار اشباع، دمای بخار سوپرهیت یكنواخت نیست. بخار سوپرهیت هنگام پس دادن انرژی كاهش دما می یابد، در حالیكه بخار اشباع با دارا بودن دمای ثابت، تغییر فاز می دهد، در نتیجه استفاده از بخار سوپرهیت ممكن است باعث گرادیان دما در سطوح انتقال حرارت گردد.

در مبدل های حرارتی، استفاده از بخار سوپرهیت می تواند منجر به تشكیل لایه نازك خشك در حال جوشش در ناحیه جریان ثانویه گردد.

این قسمت براحتی و به سرعت پوشیده از جرم و رسوب شده و متعاقبا با افزایش دما در این ناحیه، شكست و سوراخ شدن لوله ها رخ خواهد داد. در نتیجه دیده می شود كه در كاربردهای انتقال حرارت، بخار با درجه زیادی از سوپرهیت چندان مناسب نمی باشد، زیرا:

1. -هنگام سرد شدن تا دمای اشباع ، انرژی كمی را انتقال میدهد.
2. -باعث گرادیان دما در سطوح انتقال حرارت می گردد.
3. -سطوح انتقال حرارت بیشتری را نیازمند است.

نتیجه مذكور جهت بخار سوپرهیت كمی عجیب به نظر می رسد، چرا كه آهنگ انتقال حرارت در یك سطح ارتباط مستقیم با اختلاف دمای طرفین دارد.

اگر بخار سوپرهیت دارای دمای بیشتری نسبت به بخار اشباع در یك فشار ثابت باشد، آیا انتقال حرارت به همان نسبت افزایش می یابد؟ جواب نه می باشد كه طبق جزئیات ذیل بیشتر به آن می پردازیم.

 

تاثیر افزایش دما بر انتقال حرارت

واضح است كه افزایش دما باعث نرخ انتقال حرارت می گردد

در معادله3 ، 5 ، 2 توضیح داده شده است:

معادله فوق همچنان نشان دهنده ارتباط نرخ انتقال حرارت به ضریب هدایت(U) وسطح انتقال حرارت (A) می باشد.

سطح انتقال حرارت ثابت بوده ولی میزان ضریب انتقال حرارت U بین بخار اشباع و بخار سوپرهیت متفاوت است.

ضریب انتقال حرارت كلی بخار سوپرهیت در طی فرآیند تغییر خواهد نمود ولی همواره از بخار اشباع كمتر می باشد.تخمین مقدار U در سوپرهیت مشكل است چرا كه پارامترهای زیادی در آن تاثیرگذار هستند، ولی در كل با افزایش درجه سوپرهیت مقدار U كاهش می یابد.

میزان انتقال حرارت

اگر بخار سوپرهیت دارای دمای بیشتری نسبت به بخار اشباع در یك فشار ثابت باشد، آیا انتقال حرارت به همان نسبت افزایش می یابد؟ جواب خیر می باشد كه طبق جزئیات ذیل بیشتر به آن می پردازیم:

واضح است كه افزایش دما باعث افزایش نرخ انتقال حرارت می گردد:

Q=UAΔT

Q= آهنگ انتقال حرارت در واحد زمان (W)

U=ضریب انتقال حرارت عمومی (W/m² °C)

A=سطح انتقال حرارت (m²)

ΔT= اختلاف دما بین سیال اولیه و ثانویه (⁰C)

معادله فوق همچنان نشان دهنده ارتباط نرخ انتقال حرارت با ضریب هدایت (U) و سطح انتقال حرارت (A) می باشد.

سطح انتقال حرارت ثابت بوده ولی میزان ضریب انتقال حرارت U بین بخار اشباع و سوپرهیت متفاوت است.

ضريب انتقال حرارت كلی بخار سوپرهيت در طی فرايند تغيير خواهد نمود ولی همواره از بخار اشباع كمتر می باشد.

تخمين مقدار U در سوپرهيت مشكل است چرا كه پارامترهای زيادی در آن تاثير گذار هستند، ولی در كل با افزايش درجه سوپرهيت مقدار U كاهش می‌يابد.

بطور مثال، در یك كویل بخار افقی احاطه شده با آب مقدار U برای بخار سوپرهیت در حدود 50-100 w/m^{2 0}c است كه در مورد بخار اشباع به 1200 w/m^{2 0}c افزایش پیدا می نماید.

 

قابلیت انتقال حرارت بخار سوپرهیت

شكل (2 ، 3 ، 2) همچنین در مورد كویل بخار درون مخزن روغن، مقدار U جهت بخار سوپرهیت حدود 20 w/m^{2 0}c و100 w/m^{2 0}c جهت بخار سوپرهیت و مقدار500 w/m^{2 0}c جهت بخار اشباع قابل انتظار است.اعداد مذكور تقریبی ونمونه بوده و اعداد واقعی با توجه به ملاحظات طراحی و كاركرد متفاوت می باشند.

اگرچه دمای بخار سوپرهیت همیشه بالاتر از دمای بخار اشباع در یك فشار ثابت است، قابلیت انتقال حرارت آن بسیار كمتر می باشد.

استفاده از معادله 3 ، 5 ، 2 جهت بخار سوپرهیت بسیار مشكل است زیرا دمای بخار در هنگام انتقال حرارت كاهش می یابد.

اندازه گیری تجهیزات انتقال حرارت در بخار سوپرهیت نیز امری پیچیده است، ولی واضح است كه اندازه این تجهیزات نسبت به تجهیزات مشابه در بخار اشباع بزرگتر می باشند.

زیرا دیده شد كه بخار سوپرهیت، معمولا در قسمت های اولیه كویل كاهش درجه حرارت و خنك شدن بخار اشباع اتفاق می افتد.

 

3- انتقال حرارت

انتقال حرارت این قسمت در برابر حرارت بخار اشباع اندک است. پس بهتر است بخار سریعا کاهش دما داده تا به بخار اشباع تبدیل شود (شکل3 ، 3 ، 2).

بدین منظور، بخار سوپرهیت تجهیزات انتقال حرارت نباید بیشتر از 10C سوپرهیت باشد.

شکل 3، 3، 2: درجه سوپرهیت کم، اجازه کندانس شدن بخار در قسمت بیشتر کویل و افزایش ضریب انتقال حرارت کلی را بدست می دهد.

در صورت استفاده از ترکیب فوق، قسمت اول کویل صرف تبدیل بخار سوپرهیت به بخار اشباع شده و بقیه کویل مزیت استفاده از بخار اشباع را خواهد داشت و در نتیجه ضریب انتقال حرارت عمومی کاهش چندانی نسبت به بخار اشباع نخواهد داشت.

از آزمایشات تجربی معلوم شده است که افزایش سطح مورد نیاز جهت هر 2 ⁰C از بخار سوپرهیت برابر 1 % سطح کل است. استفاده از درجه سوپرهیت بیشتر از 10 ⁰C در کاربردهای حرارتی مناسب نیست، زیرا باعث عدم تناسب وافزایش غیر اقتصادی سطوح انتقال حرارت، افزایش احتمال رسوب و نیز احتمال جوشش و دمای ناخواسته در تولید می گردد.

 

4-Fouling

فولینگ در واقع افزایش مقاومت حرارتی در سطوح ناقل حرارت بعلت تشكیل رسوب و ناخالصی هاست.بسیاری از سیالات می توانند در روی سطوح انتقال حرارت تولید رسوب وجرم نمایند.این فرآیند در دماهای بالاتر، سریعتر اتفاق می افتد.

بعلاوه از آنجائیكه بخار سوپر هیت گاز خشك است ، انتقال حرارت بخار به طرف دیواره فلزی باید از لایه ساكن مجاور دیواره عبور كند كه خود مانع دیگری جهت انتقال حرارت است.

در بخار اشباع، كندانس شدن بخار موجب حركت بخار به طرف دیواره ها شده و درست در سطح مجاور دیواره مقادیر زیادی از انرژی نهان نهفته آزاد می شود.

تركیب كلیه عوامل فوق باعث كاهش بسیار زیاد ضریب انتقال حرارت بخار سوپرهیت نسبت به بخار اشباع می باشد، اگر چه اختلاف دمای بین بخار سوپرهیت وسیال ثانویه بیشتر است.

اندازه گیری یك لوله جهت بخار سوپرهیت

-مثال3 ، 3 ، 2 :

بمنظور گرمایش یك مبدل حرارتی با قدرت 250 KW از بخار سوپر هیت در فشار از بخار سوپر هیت در فشار 3 barg و درجه سوپرهیت 10⁰c ( دمای 154⁰c) استفاده می شود تا روغن را از دمای 80⁰c به دمای120⁰c برساند.با استفاده از دمای متوسط ثانویه (rT_Am)برابر 100⁰c ، سطح لازم جهت كویل انتقال حرارت را محاسبه نمائید:

(استفاده از متوسط اختلاف دمای ثانویه باعث ساده سازی شده و در واقع وبمنظور افزایش دقت متوسط دمای لگاریتمی باید مورد استفاده قرار گیرد).

در ابتدا فرض كنید كه كویل با استفاده از بخار اشباع 3 barg ودمای 144 ⁰c گرم می شود. ضریب انتقال حرارت كویل بخار اشباع گرم كننده روغن با استفاده از جنس كربن استیل برابر500w/m^{2 0}c میباشد.

بنابراین در صورتیكه از بخار اشباع جهت گرمایش كویل استفاده شود سطح حرارتی لازم برابر با 11.4m²می باشد.

درجه سوپرهیت بخار برابر 10⁰c می باشد.با اعمال 1% افزایش سطح حرارتی بازا هر 2⁰c سوپرهیت، مقدار افزایش سطح كویل برابر 5% خواهد بود:

با اضافه كردن 5% دیگر جهت رسوب گیری در آینده Foling Factor )

 

-كاربردهای دیگر بخار سوپرهیت:

در مثال های فوق بخار سوپرهیت از داخل گذرگاه باریكی مثل لوله در مبدل پوسته لوله ای ویا بین صفحات، در مبدل حرارتی صفحه ای عبور می نماید.

در موارد دیگری مانند سیلندرهای خشك كن در صنایع كاغذسازی، ممكن است بخار سوپرهیت در حجم زیاد داخل سیلندر با سرعت كم استفاده شود.
در این مثال بخار سوپرهیت نزدیك به جدار سیلندر سریعا به دمای اشباع رسیده وكندانس می شود و میزان انتقال حرارت با حالت استفاده از بخار اشباع یكسان می باشد. (بخار سوپرهیت در قسمت های میانی سیلندر باقی می ماند).

در مواردی نيز استفاده از بخار سوپرهيت به كاهش كيفيت محصول منجر می‌شود. در مواردی كه بخار سوپرهيت بعنوان يكی از مواد فرايند استفاده می‌شود، بخار سوپرهيت ممكن است به خشك شدن فرايند غذايی منجر شود.

 

-تاثیر كاهش فشار

یكی از روش های تولید بخار سوپرهیت، علاوه بر استفاده از مبدل حرارتی یا سوپرهیت، استفاده از اریفیس یا شیر فشار شكن می باشد. ولی باید توجه داشت كه این عمل تنها در صورتیكه انرژی مازاد كافی جهت تبخیر رطوبت بخار ورودی به شیر فشار شكن و سپس افزایش دما وجود داشته باشد ممكن خواهد بود.

در عمل سوپرهیت شدن بخار در اثر تقلیل فشار در شرایط بسیار خشك بودن بخار ورودی یا در صورت تقلیل فشار زیاد، اتفاق خواهد افتاد.

در كاربردهای متداول و بويلرهای بخار اشباع، با توجه به وجود حداقل 5 درصد رطوبت در بخار، عملا تقليل فشار منجر به خشك تر شدن بخار می گردد و وارد فاز سوپرهيت نخواهد شد.

 

افزایش خشكی بخار با استفاده از شیر كنترل:

-مثال4 ، 3 ، 2:

بخار با ضریب خشكی 0.95 ازشیر فشارشكن عبور كرده واز فشار 6 barg به 1 barg تقلیل فشار می یابد.شرایط بخار بعد از شیر را محاسبه كنید.

از جدول بخاراشباع با فشار6 barg:

از جدول بخاراشباع با فشار 1 barg:

آنتالپی كل درفشار6 barg=

این مقدار انرژی در هنگام گذر بخار از شیر فشار شكن ثابت خواهدماند.

آنتالپی كل بخار در فشار1 barg برابر است با:

از آنجایی كه آنتالپی یا انرژی حاصل (2660.2 Kj/kg) كمتر از آنتالپی كل بخار اشباع در فشار 1 barg است، بنابراین بخار سوپرهیت نشده و حاوی مقداری رطوبت خواهد بود.

مجددا آنتالپی كل بخار در فشار1 barg برابر است با:

سوپر هیت ایجاد شده توسط شیر كنترل:

-مثال 5 ، 3 ، 2 :

توسط یك شیر فشار شكن بخاری با ریب خشكی 0.98 از فشار 10 barg به فشار 1 barg ، تقلیل فشار داده می شود (شكل4 ، 3 ، 2).درجه سوپرهیت بعد از شیر را محاسبه كنید.

از جدول بخار اشباع با فشار 10 barg :

همانندمثال 3 ، 3 ، 2 آنتالپی كل بخار خشك در فشار 1 barg برابر 2 706.7kj/kg است.

آنتالپی كل بخار خروجی از شیر بیشتر از آنتالپی كل اشباع در فشار1 barg است وبنابراین نه تنها بخار كاملا خشك خواهد بود، كاملا خشك خواهد بود، بلكه تا حدی سوپرهیت می گردد.

این مقدار انرژی صرف افزایش دمای بخار با فشار1 barg از دمای اشباع 120 ⁰c به دمای136 ⁰c می گردد.(اردیاگرام مولیر5 ، 3 ، 2)

-دیاگرام مولیر:

درجه سوپرهیت

درجه سوپرهیت با استفاده از جداول سوپرهیت یا نمودار مولیر قابل محاسبه است (s_g).

شكل5 ، 3 ، 2 نشان دهنده قسمت كوچك وساده شده ای از دیاگرام مولیر است. دیاگرام مولیر نشان دهنده ارتباطات متعدد بین آنتالپی، آنتروپی، دما، فشار وضریب خشكی است.در نظر اول بعلت خطوط زیاد نمودار ممكن است كمی پیچیده بنظر برسد.

1. -خطوط آنتالپی ثابت(افقی)
2. -خطوط آنتروپی ثابت(عمودی)

منحنی بخار اشباع

منحنی بخار اشباع كه از وسط نمودار عبور می نماید، دو ناحیه بخار مرطوب در پایین منحنی و بخار سوپرهیت در بالای منحنی را بوجود می آورد. منحنی اشباع نشان دهنده شرایط مختلف بخار اشباع خشك در فشارهای مختلف است.

1. -خطوط فشار ثابت در هر دو ناحیه
2. -خطوط دما ثابت در ناحیه سوپرهیت
3. -خطوط ضرایب خشكی بخار(x) در ناحیه مرطوب

فرآیند انبساط كامل نظیر توربین های بخار، فرآیند آنتروپی ثابت می باشد و توسط خطوط عمودی بین شرایط ورودی و خروجی بخار نشان داده می شود.

همچنین فرآیند اختناق كامل (مثل شیرفشارشكن) فرآیند آنتروپی ثابت است. این فرآیند با خطوط افقی بین دو نقطه شرایط اولیه و ثانویه نشان داده می شود. هر دو فرآیند بالا نشان دهنده كاهش فشار می باشد ولی تفاوت در نحوه كار است.
مثال های نشان داده شده در شكل 6 ، 3 ، 2 نشان دهنده ویژگی دیاگرام مولیر در آنالیز فرآیند بخار است. استفاده از جداول بخار سوپرهیت نیز روش دیگری جهت محاسبات است.

انبساط كامل آیزنتروپیك

مثال 6 ، 3 ، 2 :

یك فرایند انبساط ثابت بخار از درون توربین را در نظر بگیرید. فشار ورودی 50 bar با دمای 300⁰ c بوده و فشار خروجی 0.04 bara می باشد. از آنجائیكه فرایند انبساط ثابت است، آنتروپی ثابت خواهد بود
و شرایط ثانویه با رسم خط عمودی در نمودار مولیر طبق شكل 7 ، 3 ، 2 می باشد. در شرایط اولیه ، آنتروپی تقریبا 6.25 kj/kg ⁰c می باشد و در صورت ادامه خط آنتروپی ثابت، آنتروپی نهائی در فشار 0.04 bara برابر 1890 kj/kg و ضریب خشكی بخار حدود 0.72 می گردد.(شكل7 ، 3 ، 2)

شرایط نهائی همچنین با استفاده از جداول بخار سوپرهیت قابل استخراج است:

در شرایط اولیه(300⁰ c 50 bar a/):

بخار خشك با فشار0.04 bara:

از آنجائیكه آنتروپی بخار اشباع در فشار 0.04 bara بیشتر از آنتروپی بخار سوپرهیت در فشار 50 bar a می باشد، یعنی كندانس شدن قسمتی از بخار خشك اشباع جهت حفظ آنتروپی ثابت است. با توجه به ثابت ماندن آنتروپی، شرایط نهائی بترتیب زیر محاسبه می شود:

این جواب تقریبا نزدیك به جواب حاصل از نمودار مولیر است و اختلاف كم موجود در نتیجه خطای قرائت نمودار می باشد.

مشاهده مطلب در قالب فایل پی دی اف (pdf)

بخار خشک

بخار خشک (فوق اشباع) و آب مایع، نمی‌توانند در شرایط تعادل ترمودینامیکی وجود داشته باشند، چنان‌ که هر حرارت اضافی به سادگی آب بیشتری را به بخار تبدیل و بخارِ تولید شده بخار اشباع‌شده خواهد شد.

با این حال این محدودیت ممکن است به‌ طور موقت در شرایط پویا (عدم تعادل) نقض شود. برای تولید بخار خشک در یک نیروگاه یا برای فرایندهایی (مانند خشک کردن کاغذ) بخار اشباع‌شده گرفته شده از یک دیگ بخار را از طریق یک دستگاه جداگانه گرمایش (یک گرمایش سوپر) که انتقال حرارت اضافی را به بخار به صورت تماس یا با تابش پرتو منتقل می‌کند.

بخار خشک باید دمای بسیار بالاتری داشته‌باشد و ضدعفونی شونده لازم‌است در زمان طولانی‌تری در معرض آن قرار گیرد تا به اثر مشابه روش‌های دیگر (یا F0 برابر ارزش نابودسازی) برسد. بخار خشک برای گرم کردن نیز مفید نیست. بخار اشباع‌شده در محتوی ارزش حرارتی بسیار بالاتر و مفیدتری است.

در صورت تبخير کامل آب در فشار ثابت، بخار کاملا خشک اشباع حاصل خواهد شد، در عمل بويلر و دیگ های بخار صنعتی امروزی به ندرت قادر به تامين بخار کاملا خشک بوده و بخار حاصل معمولا دارای قطرات آب می باشد.

در حقيقت، به علت تلاطم و آشفتگی داخل ديگ که خود به علت ترکيدن حباب های بخار در سطح آب ديگ است، فضای بالای سطح آب حاوی مخلوطی از بخار و آب است. در ديگ های بخار Fire-Tube که در آنها حرارت آب اعمال شده و بخار در تماس مستقيم با سطح آب است، حدود 5% آب در بخار خروجی وجود خواهد داشت.

در اين صورت گفته می شود که بخار توليدی 95% خشک بوده و يا دارای ضريب خشکی 95% می باشد. بخار فوق اشباع، بخار در دمای بالاتر از نقطه تبخیر (جوش) آن در همان فشار مطلقی است که در آن درجه حرارت اندازه‌گیری شده‌ است.

 

مقایسه انرژی بخار مرطوب با بخار اشباع

آنتالپی واقعی تبخير در بخار مرطوب برابر حاصل ضرب ضريب خشکی (x) در آنتالپی تبخير بخار خشک (h_fg) است که از جدول بخار قابل اکتساب است. بنابراين بخار مرطوب دارای انرژی حرارتی کمتری نسبت به بخار اشباع است.

از آنجائيکه حجم آب بسيار کمتر از حجم بخار است، قطرات آب داخل بخار حجم ناچيزی را اشغال می نمايند و بنابراين حجم مخصوص بخار مرطوب نيز کمتر از بخار اشباع است.