بخار چيست ؟

دیاگرام فازی بخار

به منظور درك بهتر خواص بخار، مناسب است كه ساختار مولكولي و اتمي بخار و بدنبال آن آب و يخ شناخته شود. يك مولكول، كوچكترين عضو تشكيل دهنده ماده است كه مي تواند با حفظ تمامي خواص شيميايي آن ماده وجود داشته باشد. مولكول ها خود از عناصر كوچك تري بنام اتم تشكيل شده اند كه مشخص كننده عناصر پايه نظيراكسيژن يا هيدروژن هستند. تركيب خاص مولكول ها با يكديگر منجر به تشكيل ماده مركب مي شود.

اين مواد با فرمول هاي شيميايي نظير H2O كه داراي مولكول هايي مركب از ۲ اتم هيدروژن و يك اتم اكسيژن مي باشد، نشان داده مي شوند. از آنجائي كه هيدروژن و اكسيژن در بسياري از تركيبات موجود در كره زمين وجود دارند، آب نيز بسيار در دسترس و ارزان مي باشد.

كربن نيز المان ديگري از مواد است كه در بسياري از تركيبات بنيادي به چشم مي خورد. بسياري از مواد مي توانند در سه حالت جامد، مايع و گاز وجود داشته باشند كه از آن ها بعنوان فاز نام برده مي شود. در مورد H2 O ، فازهاي مختلف با عناوين يخ ، آب و بخار اسم گذاري شده است.

-نقطه سه گانه بخار

فازهاي گاز ، مايع و جامد فقط در يك نقطه ثابت دما و فشار مي توانند با هم در تعادل باشند كه به نقطه سه گانه معروف است.نقطه سه گانه آب كه تمامي فازها در حال تعادل مي باشند، در دماي ۲۷۳٫۱۶K فشار مطلق ۰٫۰۰۶۱۱۲  bar رخ مي دهد.

اين فشار بسيار نزديك به خلاء مطلق است و در صورت كاهش بيشتر فشار در اين دما، يخ مستقيما به بخار تبديل مي شود.

-يخ

در فاز جامد (يخ)، تمامي مولوكول ها در يك شبكه بهم پيوسته قفل شده و فقط ارتعاش مي نمايند. حركت مولكولي در اين فاز، بسيار نزديك به هم بوده و كمتر از اندازه يك مولكول مي باشد. افزايش حرارت باعث افزايش و جداشدن تعدادي از مولكول ها از مولكول هاي مجاور گشته و به دنبال آن تغيير حالت جامد به مايع و عمل ذوب شروع مي گردد.

(اين شرايط در دماي صفر درجه و مستقل از فشار است). مقدار انرژي كه باعث شكسته شدن پيوندهاي بين مولكولي و تغيير فاز، بدون افزايش دماي يخ مي گردد به آنتالپي ذوب معروف است. اين تغيير فاز برگشت پذير بوده و در صورت آزاد شدن همان مقدار انرژي به محيط اطراف، قابل انجام است.

چگالي اكثر مواد در هنگام ذوب كاهش مي يابد ولي در مورد H2O اين امر برعكس بوده، بطوري كه افزايش چگالي آب نسبت به يخ مشاهده مي شود. (دليل شناور ماندن يخ بر روي آب همين مساله مي باشد).

-آب

در فاز مايع مولكول ها آزادانه حركت كرده ولي همچنان به علت نيروي جاذبه بين مولكولي در فاصله كمي حركت مي نمايند. افزايش حرارت باعث افزايش حركات بين مولكولي و افزايش دما تا دماي جوش مي گردد.

-آنتالپي آب، آنتالپي مايع يا گرماي محسوس آب (hr)

اين پارامتر ميزان انرژي لازم جهت افزايش دماي آب از ميزان ۰۰c تا دماي جوش مي باشد. در دماي صفر درجه سانتي گراد، آنتالپي آب صفر در نظر گرفته شده و بنابراين تمامي دماهاي ديگر با توجه به اين مرجع سنجيده مي شود.

علت استفاده از واژه گرماي محسوس تغيير دماي محسوس آب با افزايش انرژي مي باشد. در فشار اتمسفريك (۰ barg)، در دماي ۱۰۰۰c به جوش آمده و به منظور گرمايش يك كيلوگرم آب صفر درجه تا دماي صد درجه، مقدار ۴۱۹ kj/kg0c انرژي لازم است.

-بخار

با افزايش دماي آب و رسيدن به دماي جوش، برخي از مولكول ها داراي انرژي جنبشي كافي مي گردند، به طوري كه مي توانند به فضاي بالاي سطح مايع فرار كرده و جدا شوند. افزايش حرارت باعث افزايش تعداد مولكول هاي فراري و سپس تشكيل حباب هاي بخار در داخل مايع مي شود كه در سطح آب مي تركند. با در نظر گرفتن ساختار مولكولي، فاز مايع و بخار و فاصله زياد مولكول ها در فاز بخار، ديده مي شود كه چگالي فاز بخار بسيار كمتر از چگالي آب است، بنابراين فضاي بالاي مايع به سرعت از مولكوله اي با چگالي پايين تر انباشته مي شود.

وقتي تعداد مولكول هائي كه آب را ترك مي نمايند، از مولكول هائي كه دوباره به آن برمي گردند بيشتر شود، آب بصورت آزاد شروع به تبخير مي نمايد. در اين نقطه آب به دماي جوش يا دماي اشباع خود مي رسد ، چرا كه با انرژي حرارتي اشباع شده است. افزايش بيشتر حرارت با ثابت ماندن فشار، باعث تغيير دماي مضاعف نشده و فقط منجر به تشكيل بخار مي گردد.

دماي آب جوش و بخار اشباع در فشار ثابت يكسان بوده، ولي ميزان انرژي واحد جرم در فاز بخار بسيار بيشتر از فاز مايع است. در فشار اتمسفريك دماي اشباع ۱۰۰۰c است.

با اين وجود، در صورت افزايش فشار، امكان انتقال در فشار حرارت بيشتر بدون تغيير مايع وجود دارد. بنابراين افزايش فشار باعث آنتالپي مايع و دماي اشباع مي گردد. رابطه بين اشباع و فشار به منحني اشباع بخار معروف است(شكل۱ ، ۲ ، ۲)

آب و بخار در هر فشاري روي منحني فوق بصورت مشترك و در شرايط دماي اشباع وجود دارند. بخاري كه در شرايط دمائي بالاتر از اين منحني قرار دارد به بخار سوپرهيت معروف است.

-مقدار اختلاف دماي بالاتر از دماي اشباع به درجه سوپرهيت معروف است.

بیشتر بخوانید :

دی سوپرهیت نمودن بخار

دلایل نامناسبی بخار سوپر هیت در گرمایش

اگر بخار خروجي از ديگ به ميزان توليدي باشد و بتواند آزادانه جريان يابد، افزايش حرارت باعث افزايش نرخ توليد بخار  مي شود، ولي اگر بخار خروجي محدود نگاه داشته شود و همزمان انرژي حرارتي نيز افزوده گردد، انرژي ورودي به ديگ بيشتر از انرژي خروجي شده كه باعث افزايش فشار و بدنبال آن افزايش دماي ديگ مي گردد چرا كه دماي اشباع ارتباط مستقيم با فشار دارد.

-به آب در شرايط زير منحني، آب زير اشباع گفته مي شود.

-آنتالپي تبخير يا گرماي نهان ( hrg) آب

اين پارامتر مقدار انرژي لازم جهت تغيير فاز آب در حال جوش به بخار مي باشد. در اين فرآيند هيچ گونه افزايش دمايي رخ نداده و تمام انرژي صرف تغيير فاز مي شود. اصطلاح قديمي گرماي نهان بعلت عدم تغيير دما با وجود افزايش انرژي مي باشد، ولي اصطلاح مناسب تر گرماي تبخير است. همانند تغيير فاز يخ به آب، فرآيند تبخير نيز قابل برگشت است. در فرآيند چگالش، ميعان يا كندانس، همان مقدار انرژي كه در توليد بخار صرف شده است به محيط اطراف پس داده مي گردد. اين پديده در هر زمان كه بخار با سطوح سردتري در تماس قرار گيرد، اتفاق مي افتد.

اين مقدار انرژي، انرژي موثر و مفيد بخار در كاربردهاي حرارتي است، زيرا دقيقا ميزاني از انرژي است كه هنگام تبديل بخار به كندانس آزاد مي شود.

-آنتالپي بخار اشباع يا انرژي كل بخار اشباع(hg)

اين پارامتر انرژي كل بخار اشباع بوده و به راحتي از مجموع آنتالپي آب و آنتالپي تبخير به دست مي آيد:

كه در آن: آنتالپي (و ديگر خواص) بخار اشباع به راحتي با استفاده از جداول تجربي موجود كه به جداول بخار اشباع معروف است به دست مي آيند.

-جدول بخار اشباع

جدول بخار اشباع، بيان كننده خواص مختلف بخار در فشارهاي متفاوت است. اين اعداد از آزمايشات واقعي منتج شده اند. جدول ۱ ، ۲ ، ۲ نشان دهنده خواص بخار اشباع در فشار اتمسفريك يا ۰ bar g مي باشد.

< جدول بخار اشباع

-مثال۱ ، ۲ ، ۲:

در فشار اتمسفريك، آب در دماي ۱۰۰۰c به جوش مي آيد و انرژي لازم جهت گرمايش يك كيلوگرم آب از دماي ۰۰c تا ۱۰۰۰c برابر ۴۱۹ kj/kg مي باشد. بنابراين آنتالپي ويژه آب در فشار ۰ bar g و دماي ۱۰۰۰c برابر ۴۱۹ kj/kg مي باشد. هم چنين انرژي لازم جهت تبخير يك كيلوگرم آب صد درجه به يك كيلوگرم بخار صد درجه برابر ۲۲۵۷ Kj مي باشد. بنابراين در فشار ۰ bar g آنتالپي محسوس تبخير برابر Kj 2257 مي باشد.

آنتالپي كل بخار در فشار ۰ bar g برابر است با : ۴۱۹ + ۲۲۵۷ = ۲۶۷۶KJ/Kg

بخار در شرايط اتمسفريك داراي موارد استفاده محدود مي باشد زيرا نمي تواند در طول لوله به سمت نقطه مصرف حركت نمايد.

توجه : با دقت در نسبت فشار و حجم بخار اشباع ديده مي شود كه با افزايش، حجم مخصوص كاسته مي گردد. به همين علت مناسب است كه بخار با فشار حداقل ۷bar درون ديگ توليد گردد. توليد بخار در فشار نسبتا بالا موجب حفظ قطر لوله ها و شيرآلات در اندازه هاي معقول مي گردد.

شكل۲ ، ۲ ، ۲ نشان دهنده رابطه حجم مخصوص و فشار مي باشد. ديده مي شود كه تغييرات زياد حجم مخصوص در فشارهاي پايين تر اتفاق مي افتد و در فشارهاي بالاتر (مثلا بالاتر از ۷bar) تغييرات حجم مخصوص كمتر مي باشد.

< جدول بخار

  با دقت در جداول بخار ۲ ، ۲ ، ۲ مي توان حجم مخصوص و بقيه خواص بخار اشباع را مشاهده نمود. در فشار bar ، دماي اشباع آب ۱۷۰ ۰c مي باشد. همانطور كه ديده مي شود، آنتالپي آب در اين فشار برابر ۷۲۱ Kj/kg مي باشد، كه بيشتر از آنتالپي آب در فشار اتمسفريك (۴۱۹ Kj/kg ) است. در مقابل انرژي حرارتي مورد نياز جهت تبخير آب در فشار ۷bar كمتر از اين انرژي در فشار اتمسفريك است و نشان دهنده كاهش آنتالپي مخصوص تبخير با افزايش فشار مي باشد. با اين حال، از آنجائيكه حجم مخصوص تبخير با افزايش فشار مي باشد. با اين حال، از آنجائيكه حجم مخصوص نيز با افزايش فشار كاهش مي يابد، مقدار انرژي حرارتي قابل حمل توسط حجم ثابتي از بخار با افزايش فشار زيادتر مي شود.

-ميزان خشكي بخار

در صورت تبخير كامل آب در فشار ثابت، بخار كاملا خشك اشباع حاصل خواهد شد، در عمل بويلرهاي صنعتي امروزي به ندرت قادر به تامين بخار كاملا خشك بوده و بخار حاصل معمولا داراي قطرات آب مي باشد. در حقيقت، به علت تلاطم و آشفتگي داخل ديگ كه خود به علت تركيدن حباب هاي بخار در سطح آب ديگ است، فضاي بالاي سطح آب حاوي مخلوطي از بخار و آب است. در ديگ هاي Fire-Tube كه در آن ها حرارت آب اعمال شده و بخار در تماس مستقيم با سطح آب است، حدود ۵% آب در بخار خروجي وجود خواهد داشت. در اين صورت گفته مي شود كه بخار توليدي ۹۵% خشك بوده و يا داراي ضريب خشكي ۹۵% مي باشد.

آنتالپي واقعي تبخير در بخار مرطوب برابر حاصل ضرب ضريب خشكي (x)در آنتالپي تبخير بخار خشك (hfg) است كه از جدول بخار قابل اكتساب است. بنابراين بخار مرطوب داراي انرژي حرارتي كمتري نسبت به بخار اشباع است. از آنجائي كه حجم آب بسيار كمتر از حجم بخار است، قطرات آب داخل بخار حجم ناچيزي را اشغال مي نمايند و بنابراين حجم مخصوص بخار مرطوب نيز كمتر از بخار اشباع است. معادله زير نشان دهنده آنتالپي واقعي تبخير است.

-مثال۲ ، ۲ ، ۲:

بخار در فشار ۶barg داراي ضريب خشكي ۰٫۹۴ بوده و بنابراين داراي ۹۴% آنتالپي بخار اشباع در فشار ۶barg است. محاسبات زيرين با توجه به جدول بخار انجام شده است:

 -دياگرام فازي بخار

اطلاعات موجود در جدول بخار مي تواند با نمودار گرافيكي بيان گردد. شكل۳ ، ۲ ، ۲ نشان دهنده ارتباط بين آنتالپي و دما در فشارهاي مختلف كه به دياگرام فاز معروف است.

< دیاگرام فازی بخار

 آب با گرم شدن از دماي ۰ ۰c تا دماي اشباع، منحني مايع اشباع را دنبال نموده تا تمامي آنتالپي مايع ياhr راجذب نمايد.(A-B).

با افزايش انتقال حرارت تغيير فاز به بخار اشباع اتفاق افتاده و افزايش آنتالپي در طي فرآيند دما ثابت رخ خواهد داد.(B-C) و hfg.

با افزايش خشكي مخلوط آب و بخار، شرايط مخلوط از خط آب اشباع به سمت بخار اشباع حركت مي كند. بنابراين درست در نقطه مياني اين دو حالت، ضريب خشكي برابر ۰٫۵ بوده و در خط بخار اشباع، بخار صد در صد خشك خواهد بود.

با ادامه گرمايش بخار از نقطه بخار اشباع، دماي بخار شروع به افزايش در فاز سوپرهيت(C-D) مي نمايد. منحني هاي بخار اشباع بوجود آورنده ناحيه اي هستند كه مخلوط بخار و آب در كنار هم موجود بوده و اصطلاحا بخار مرطوب است. در ناحيه سمت چپ خط مايع اشباع فقط آب و در ناحيه سمت راست بخار اشباع، بخار سوپر هيت موجود مي باشد.

نقطه تلاقي منحني هاي مايع اشباع و بخار اشباع به نقطه بحراني معروف است. با دقت در منحني ديده مي شود كه با افزايش فشار، آنتالپي تبخير كاهش مي يابد تا اينكه در نقطه بحراني به صفر مي رسد و بنابراين در نقطه بحراني آب مستقيما به بخار تبديل مي شود.

در قسمت بالاي منحني فقط گاز وجود دارد كه در اين قسمت مولكول ها بصورت كاملا آزاد در حال حركت مي باشند.

دماي نقطه بحراني بالاترين دمايي است كه آب مي تواند داشته باشد و افزايش بيشتر فشار بالاي اين نقطه منجر به تغيير فاز نخواهد شد.

شرايط نقطه بحراني در دماي ۳۷۴٫۱۵۰cو۲۲۱٫۲barg مي باشد. در فشارهاي بالاتر، بخار بعنوان فوق بحراني شناخته شده و نقطه جوش مشخصي ندارد.

 

 -بخار فلاش

بخار فلاش معمولا در بخار آزاد شده از ونت تانك ها و مخازن كندانس و يا خطوط كندانس خروجي از تله هاي بخار به چشم مي خورد.

اين نوع بخار بدون افزايش حرارت به آب و مستقيما در اثر تقليل فشار آب از فشار بالاتر به پايين تر تشكيل مي گردد (در واقع درصدي از آب به بخار تبديل مي شود) (شكل۴ ، ۲ ، ۲)

بخار فلاش

 

يك كيلوگرم كندانس در فشار ۵barg و دماي اشباع ۱۵۹۰c را در نظر بگيريد كه از طريق يك تله بخار به اتمسفر يا فشار ۰barg تخليه مي شود. مقدار انرژي موجود در يك كيلوگرم كندانس ورودي برابر ۶۷۱KJ مي باشد(hr). اين مقدار انرژي طبق قانون اول ترموديناميك، برابر مقدار انرژي در قسمت ورودي و خروجي تله بخار (فشار بالا و پايين) ثابت است. بنابراين مقدار انرژي آب خروجي تله نيز ۶۷۱KJ خواهد بود.

با نگاه به جدول بخار، مقدار انرژي قابل ذخيره در آب با فشار ۰barg برابر ۴۱۹ Kj است و بنابراين مقدار انرژي ۶۷۱-۴۱۹=۲۵۲ kj در خروجي مازاد خواهد بود كه نمي تواند بصورت آب وجود داشته باشد.

اين مقدار انرژي مقداري از كندانس خروجي را تبخير مي نمايد كه به بخار فلاش معروف است و از اين فرآيند با جوشش آب يا فلاشينگ نام برده مي شود.

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

<

 مثال ۳ ، ۲ ، ۲: حالتي كه دماي كندانس فشار بالا بيشتر از دماي كندانس فشار پايين است.

آب با فشار ۵barg و داراي ۶۷۱ kj/kg انرژي حرارتي در دماي اشباع ۱۵۹ ۰c مي باشد. درصورت كاهش فشار به فشار اتمسفريك (۰barg) آب تنها در دماي ۱۰۰ ۰c و با انرژي ۴۱۹ kj/kg وجود خواهد داشت. تفاوت ۲۵۲ kj/kg در انرژي حرارتي باعث توليد بخار فلاش در فشار اتمسفر مي گردد.

در واقع ميزان بخار فلاش توليدي برابر با نسبت مازاد بر انرژي تبخير فشار ثانويه مي باشد.

مثال۴ ، ۲ ، ۲: حالتي كه دماي كندانس فشار بالا پايين تر از دماي اشباع فشار پايين است.

همان شرايط مثال ۳ ، ۲ ، ۲ را در نظر بگيريد، فقط فرض نمائيد كه دماي كندانس فشار بالا برابر ۹۰۰c مي باشد. بنابراين آب ورودي زير دماي اشباع اتمسفريك (۱۰۰c) سرد شده است. (توجه : در عمل معمولا اين چنين كاهش دماي زيادي از ۵۹ ۰c1 به ۹۰۰c در مورد كندانس رخ نداده و فقط بمنظور توضيح عدم تشكيل بخار فلاش در اين شرايط ذكر مي شود.)

با مراجعه به جدول آب، آنتالپي يك كيلوگرم آب در فشار ۵barg و دماي ۹۰۰c برابر ۳۷۷ kj است. از آنجائي كه اين انرژي كمتر از آنتالپي اشباع يك كيلوگرم آب در فشار اتمسفريك مي باشد(۴۱۹ kj )، بنابراين انرژ ي مازادي وجود نداشته و بخار فلاشي حاصل نخواهد شد. كندانس به راحتي از تله بخار عبور نموده و ضمن تقليل فشار در همان دما باقي مي ماند.

فشار بخار آب در ۹۰۰c برابر۰٫۷ barg است.در صورت كاهش بيشتر فشار خروجي كمتر از اين مقدار، بخار فلاش مجددا تشكيل مي شود.

 -اصل تبديل انرژي و جرم بين دو فرآيند

اصل تبديل انرژي و جرم اجازه بررسي بخار فلاش را از ديدگاه ديگري بدست مي دهد.

شرايط مثال ۳ ، ۲ ، ۲ را در نظر بگيريد كه بصورت شماتيك در شكل ۶ ، ۲ ، ۲ نشان داده شده است و جرم كل آن ثابت است.

< اصل تبديل انرژي و جرم بين دو فرآيند

 قانون بقاي انرژي بيان كننده ثابت ماندن انرژي ورودي و خروجي است و بنابراين مقدار حرارت در بخار فلاش و كندانس در خروجي برابر كندانس ورودي است(۶۷۱ kj)

از جدول بخار اشباع اطلاعات زير قابل برداشت است:

بنابراين در فشار اتمسفر خواهيم داشت:

ديده مي شود كه قانون بقاي انرژي صادق مي باشد.

 ۳-۲-بخار سوپرهيت چيست؟

در صورت تماس بخار اشباع توليد شده در ديگ با سطوح دماي بالاتر ، دماي بخار به بالاتر از دماي تبخير افزايش خواهد يافت.

به اين بخار، بخار سوپرهيت گفته شده و به تفاوت دماي بخار اشباع ودماي افزايش ياقته بخار درجه سوپرهيت اتلاق مي گردد.

سوپرهيت نمودن بخار در صورت وجود آب درون بخار ممكن نبوده و افزايش حرارت موجب تبخير قطرات آب خواهد شد. بمنظور گرمايش مجدد ، بخار اشباع بايد از درون يك مبدل حرارتي عبور نمايد. اين مبدل مي تواند قسمت ثانويه اي در داخل بويلر بوده و يا بصورت سوپرهيت جداگانه باشد. سيال گرم كن نيز مي تواند گازهاي داغ خروجي مشعل بوده و يا اينكه مشعل جداگانه اي تعبيه شود.

بخار سوپرهيت در كاربردهاي خاصي استفاده مي شود ، بعنوان مثال در توربين هاي بخار از بخار سوپرهيت جهت عبور از نازل ها و هدايت به سمت رتور استفاده شده كه منجر به چرخش رتور مي شود. از آنجائيكه انرژي لازم فقط از طريق بخار تامين مي شود ، بنابراين بخار خروجي از رتور داراي انرژي كمتري خواهد بود.

در صورتيكه بخار در دماي اشباع باشد ، اين كاهش انرژي منجر به كندانس قسمتي از بخار مي شود.

توربين ها داراي طبقات مختلفي هستند، بخار خروجي از اولين قسمت به سمت محور رتور دوم هدايت مي شود در واقع با هدايت بخار در طول طبقات توربين، رطوبت آن افزايش پيدا خواهد نمود. اين شرايط نه تنها باعث ايجاد ضربه چكش خواهد شد، بلكه قطرات آب موجب خوردگي شديد پره هاي توربين مي گردند. راه حل جلوگيري از اين مشكلات، استفاده از بخار سوپر هيت در ورودي توربين و استفاده از انرژي آن جهت چرخش رتور بوده كه در نهايت بصورت بخار تقريبا اشباع از توربين خارج مي شود.

< علت ديگر استفاده از بخار سوپرهيت در توربين هاي بخار، افزايش راندمان حرارتي مي باشد.

 بازده ترموديناميكي يك موتور حرارتي نظير توربين، توسط دو تئوري زير قابل محاسبه است:
 -سيكل كارنو كه در آن تغييرات دماي بخار خروجي و ورودي با دماي ورودي مقايسه مي شود.
 -سيكل رانكين كه در آن تغييرات انرژي حرارتي بخار ورودي و خروجي با كل انرژي ورودي مقايسه مي شود.

مثال۱ ، ۳ ، ۲:

 بخار ورودي يك توربين در شرايط ۹۰bara/450 0c مي باشد. بخار خروجي در فشار ۰٫۰۶bara (خلاء نسبي) بوده و داراي ۱۰% رطوبت مي باشد. دماي بخار اشباع ۳۶٫۲ ۰c است.

۱ ، ۱ ، ۳ ، ۲:بازده سيكل كارنو را محاسبه نماييد.

۲ ، ۱ ، ۳ ، ۲:بازده سيكل رانكين را محاسبه نماييد.

از آنجائي كه بخار داراي ۱۰% رطوبت است بنابراين آنتالپي واقعي تبخير برابر است با(۰٫۹*۲۴۱۵) و آنتالپي موجود در آب برابر (۰٫۱*۱۵۲) مي باشد.

با بررسي سيكل هاي مذكور نتايج زير حاصل مي شود:

  1. درجه حرارت يا انرژي ورودي به توربين بايد تا حد امكان بالا باشد كه بمعني بالا بودن فشار دما بشرط عملي بودن آن است. استفاده از بخار سوپرهيت ساده ترين و مناسب ترين روش جهت اين امر مي باشد.
  2. درجه حرارت يا انرژي خروجي توربين حتي المقدور پايين نگاه داشته شود كه به معني فشار و دماي حداقل عملي در اين قسمت بوده و معمولا توسط كندانسوز در خروجي توربين تامين مي گردد.

با توجه به وجود ۱۰% آب درون بخار، مقدار انرژي واقعي بخار برابر ۹۰% hfg بوده وانرژي واقعي آب نيز ۱۰% hf مي باشد.

-محاسبات مثال هاي ۱ ، ۱ ، ۳ ، ۲ و ۲ ، ۱ ، ۳ ، ۲ بيان كننده راندمان ترموديناميكي بوده و نبايد با راندمان مكانيكي اشتباه گرفته شوند.

-اگر چه راندمان هاي محاسبه شده بظاهر كم بنظر مي آيند، بايد توجه نمود كه نبايد به تنهايي جهت راندمان كل سيستم فرض شوند و فقط جهت مقايسه انواع موتورهاي حرارتي  بطور مثال توربين گاز يا بخار و يا موتور ديزل استفاده مي گردند.

-جداول بخار سوپرهيت

جداول بخار سوپرهيت نشان دهنده خواص بخار در فشارهاي مختلف مي باشند. با اين وجود، در بخار سوپرهيت رابطه مستقيمي بين فشار و دما وجود ندارد و در يك فشار خاص، دماهاي متفاوتي جهت بخار سوپرهيت قابل تعريف است. معمولا جداول بخار اشباع با فشار نسبي و جداول بخار سوپرهيت با فشار مطلق درجه بندي مي شوند.

مثال۲ ، ۳ ، ۲:

مقدار انرژي اضافي در بخار سوپرهيت با دماي ۴۰۰ ۰c و در فشار (۰ barg)1.013 bara نسبت به بخار اشباع در همان فشار را محاسبه كنيد؟

اين افزايش انرژي در نگاه اول مفيد وقابل استفاده است ولي در واقع مهندسيني را كه مي خواهند از اين بخار در فرآيندهاي گرمايشي استفاده كنند دچار مشكل مي سازد. ظرفيت حرارتي مخصوص با تقسيم انرژي سوپرهيت بر اختلاف دماي بين بخار اشباع و سوپرهيت بدست مي آيد:

برخلاف ظرفيت حرارتي ثابت آب، اين مقدار در بخار سوپرهيت با تغيير دما و فشار متغير بوده و نمي تواند ثابت فرض شود. بنابراين عدد محاسبه شده۲٫۰kj/kg 0c فقط متوسط ظرفيت حرارتي مخصوص در محدوده دماي مشخص و براي فشار تعيين شده مي باشد. رابطه مستقيمي بين فشار، دما و ظرفيت حرارتي مخصوص در بخار سوپرهيت وجود ندارد.

-آيا مي توان از بخار سوپر هيت در فرآيندهاي انتقال حرارت استفاده نمود؟

اگر چه بخار سوپرهيت سيال ايده آلي در كاربردهاي گرمايشي نيست، با اين وجود از اين نوع بخار در سايت هاي صنعتي، خصوصا صنايع نفت و پتروشيمي استفاده مي شود. در اين موارد، قبل از اينكه بگوئيم بخار سوپرهيت مزيت خاصي بر بخار اشباع جهت كاربرد حرارتي دارد، بايد توجه كرد كه بخار سوپرهيت به علت استفاده در توربين هاي توليد نيرو مستقر در سايت، موجود و در دسترس مي باشد.

در اكثر مواقع از بخار اشباع جهت كاربردهاي گرمايشي استفاده مي شود، حتي اگر مجبور به دي سوپرهيت كردن بخار باشيم. در بسياري از سايت هاي پتروشيمي و پالايشگاهي نيز بخار سوپرهيت موجود تا حدود ۱۰ درجه دي سوپرهيت شده و سپس جهت فرآيند گرمايش استفاده مي شود. اين مقدار ناچيز نيز در تماس با قسمت هاي اوليه سطوح حرارتي منتقل مي گردد. درجه هاي بالاي بخار سوپرهيت غالبا مشكل ساز و غيراقتصادي بوده و بهتر است در كاربردهاي گرمايش استفاده نشوند.

چند دليل  براي نامناسب بودن بخار سوپر هيت جهت گرمايش به شرح زير است:

-مقدار آنتالپي بخش سوپرهيت بخار در مقايسه با آنتالپي اشباع آن نسبتا كم مي باشد.در صورتيكه بخار از درجه سوپرهيت كمي برخوردار باشد، به سرعت انرژي خود را از دست داده و به بخار اشباع تبديل مي شود و اگر درجه سوپرهيت بالا باشد، زمان زيادي جهت خنك شدن تا دماي اشباع صرف شده و دراين زمان نرخ انرژي منتقل شده كم مي باشد.

-برخلاف بخار اشباع، دماي بخار سوپرهيت يكنواخت نيست. بخار سوپرهيت هنگام پس دادن انرژي كاهش دما مي يابد، در حالي كه بخار اشباع  با دارا بودن دماي ثابت، تغيير فاز مي دهد، در نتيجه استفاده از بخار سوپرهيت ممكن است باعث گراديان دما در سطوح انتقال حرارت گردد. در مبدل هاي حرارتي ، استفاده از بخار سوپرهيت مي تواند منجر به تشكيل لايه نازك خشك در حال جوشش در ناحيه جريان ثانويه گردد. اين قسمت براحتي و به سرعت پوشيده از جرم و رسوب شده و متعاقبا با افزايش دما در اين ناحيه، شكست و سوراخ شدن لوله ها رخ خواهد داد. درنتيجه ديده مي شود كه در كاربردهاي انتقال حرارت، بخار با درجه زيادي از سوپرهيت چندان مناسب نمي باشد ، زيرا:

  1. -هنگام سردشدن تا دماي اشباع ، انرژي كمي را انتقال مي دهد.
  2. -باعث گراديان دما در سطوح انتقال حرارت مي گردد.
  3. -سطوح انتقال حرارت بيشتري را نيازمند است.

نتيجه مذكور جهت بخار سوپرهيت كمي عجيب به نظر مي رسد، چرا كه آهنگ انتقال حرارت در يك سطح ارتباط مستقيم با اختلاف دماي طرفين دارد. اگر بخار سوپرهيت داراي دماي بيشتري نسبت به بخار اشباع در يك فشار ثابت باشد، آيا انتقال حرارت به همان نسبت افزايش مي يابد؟ جواب نه مي باشد كه طبق جزئيات ذيل بيشتر به آن مي پردازيم.

واضح است كه افزايش دما باعث نرخ انتقال حرارت مي گردد كه در معادله ۳ ، ۵ ، ۲ توضيح داده شده است:

معادله فوق همچنان نشان دهنده ارتباط نرخ انتقال حرارت به ضريب هدايت(U) و سطح  انتقال حرارت (A) مي باشد.

سطح انتقال حرارت ثابت بوده ولي ميزان ضريب انتقال حرارت U بين بخار اشباع و بخار سوپرهيت متفاوت است.

ضريب انتقال حرارت كلي بخار سوپرهيت در طي فرآيند تغيير خواهد نمود ولي همواره از بخار اشباع كمتر مي باشد. تخمين مقدار U در سوپرهيت مشكل است چرا كه پارامترهاي زيادي در آن تاثيرگذار هستند، ولي در كل با افزايش درجه سوپرهيت مقدار U كاهش مي يابد.

بطور مثال، در يك كويل بخار افقي احاطه شده با آب مقدارU براي بخار سوپرهيت در حدود ۵۰-۱۰۰ w/m2 0c است كه در مورد بخار اشباع به ۱۲۰۰ w/m2 0c افزايش پيدا مي نمايد.

< کویل بخار افقی

شكل(۲ ، ۳ ، ۲) همچنين در مورد كويل بخار درون مخزن روغن، مقدار U جهت بخار سوپرهيت حدود

۲۰ w/m2 0c و۱۰۰ w/m2 0c جهت بخار سوپرهيت و مقدار۵۰۰ w/m2 0c جهت بخار اشباع قابل انتظار است.اعداد مذكور تقريبي و نمونه بوده و اعداد واقعي با توجه به ملاحظات طراحي و كاركرد متفاوت مي باشند.

اگرچه دماي بخار سوپرهيت هميشه بالاتر از دماي بخار اشباع در يك فشار ثابت است، قابليت انتقال حرارت آن بسيار كمتر مي باشد.

استفاده از معادله ۳ ، ۵ ، ۲ جهت بخار سوپرهيت بسيار مشكل است زيرا دماي بخار در هنگام انتقال حرارت كاهش مي يابد. اندازه گيري تجهيزات انتقال حرارت در بخار سوپرهيت نيز امري پيچيده است، ولي واضح است كه اندازه اين تجهيزات نسبت به تجهيزات مشابه در بخار اشباع بزرگتر مي باشند زيرا ديده شد كه بخار سوپرهيت، معمولا در قسمت هاي اوليه كويل كاهش درجه حرارت و خنك شدن بخار اشباع اتفاق مي افتد. انتقال حرارت اين قسمت در برابر حرارت بخار اشباع اندك است است. پس بهتر است بخار سريعا كاهش دما داده تا به بخار اشباع تبديل شود(شكل۳ ، ۳ ، ۲). بدين منظور، بخار سوپرهيت تجهيزات انتقال حرارت نبايد بيشتر از ۱۰C سوپرهيت باشد.

< جدول بخار اشباع

شكل۳ ، ۳ ، ۲: درجه سوپرهيت كم ، اجازه كندانس شدن بخار در قسمت بيشتر كويل و افزايش ضريب انتقال حرارت كلي را بدست مي دهد.

در صورت استفاده از تركيب فوق، قسمت اول كويل صرف تبديل بخار سوپرهيت به بخار اشباع شده و بقيه كويل مزيت استفاده از بخار اشباع را خواهد داشت و در نتيجه ضريب انتقال حرارت عمومي كاهش چنداني نسبت به بخار اشباع نخواهد داشت.

از آزمايشات تجربي معلوم شده است كه افزايش سطح مورد نياز جهت هر ۲ ۰C از بخار سوپرهيت برابر۱ % سطح كل است. استفاده از درجه سوپرهيت بيشتر از ۱۰ ۰C در كاربردهاي حرارتي مناسب نيست، زيرا باعث عدم تناسب وافزايش غير اقتصادي سطوح انتقال حرارت، افزايش احتمال رسوب و نيز احتمال جوشش و دماي ناخواسته در توليد مي گردد.

Fouling-

فولينگ در واقع افزايش مقاومت حرارتي در سطوح ناقل حرارت بعلت تشكيل رسوب و ناخالصي هاست. بسياري از سيالات مي توانند در روي سطوح انتقال حرارت توليد رسوب و جرم نمايند. اين فرآيند در دماهاي بالاتر، سريع تر اتفاق مي افتد. بعلاوه از آنجائي كه بخار سوپر هيت گاز خشك است، انتقال حرارت بخار به طرف ديواره فلزي بايد از لايه ساكن مجاور ديواره عبور كند كه خود مانع ديگري جهت انتقال حرارت است.

در بخار اشباع، كندانس شدن بخار موجب حركت بخار به طرف ديواره ها شده و درست در سطح مجاور ديواره مقادير زيادي از انرژي  نهان نهفته آزاد مي شود.

تركيب كليه عوامل فوق باعث كاهش بسيار زياد ضريب انتقال حرارت بخار سوپرهيت نسبت به بخار اشباع مي باشد، اگرچه اختلاف دماي بين بخار سوپرهيت و سيال ثانويه بيشتر است.

-مثال۳ ، ۳ ، ۲ : اندازه گيري يك لوله جهت بخار سوپرهيت

بمنظور گرمايش يك مبدل حرارتي با قدرت ۲۵۰ KW از بخار سوپر هيت در فشار  از بخار سوپر هيت در فشار ۳ barg و درجه سوپرهيت ۱۰۰c ( دماي ۱۵۴۰c) استفاده مي شود تا روغن را از دماي ۸۰۰c به دماي۱۲۰۰c برساند. با استفاده از دماي متوسط ثانويه (rTAm)برابر ۱۰۰۰c، سطح لازم جهت كويل انتقال حرارت را محاسبه نمائيد:

(استفاده از متوسط اختلاف دماي ثانويه باعث ساده سازي شده و در واقع و بمنظور افزايش دقت متوسط دماي لگاريتمي بايد مورد استفاده قرار گيرد).

در ابتدا فرض كنيد كه كويل با استفاده از بخار اشباع ۳ barg ودماي ۱۴۴ ۰c گرم مي شود. ضريب انتقال حرارت كويل بخار اشباع گرم كننده روغن با استفاده از جنس كربن استيل برابر۵۰۰w/m2 0c ميباشد.

بنابراين در صورتي كه از بخار اشباع جهت گرمايش كويل استفاده شود سطح حرارتي لازم برابر با ۱۱٫۴m2مي باشد.

درجه سوپرهيت بخار برابر ۱۰۰c مي باشد. با اعمال ۱% افزايش سطح حرارتي بازا هر ۲۰c سوپرهيت، مقدار افزايش سطح كويل برابر۵% خواهد بود:

با اضافه كردن ۵% ديگر جهت رسوب گيري در آينده Foling Factor )

 -كاربردهاي ديگر بخار سوپرهيت:

در مثال هاي فوق بخار سوپرهيت از داخل گذرگاه باريكي مثل لوله در مبدل پوسته لوله اي ويا بين صفحات، در مبدل حرارتي صفحه اي عبور مي نمايد.

در موارد ديگري مانند سيلندرهاي خشك كن در صنايع كاغذسازي، ممكن است بخار سوپرهيت در حجم زياد داخل سيلندر با سرعت كم استفاده شود. در اين مثال بخار سوپرهيت نزديك به جدار سيلندر سريعا به دماي اشباع رسيده و كندانس مي شود و ميزان انتقال حرارت با حالت استفاده از بخار اشباع يكسان مي باشد. (بخار سوپرهيت در قسمت هاي مياني سيلندر باقي مي ماند).

 -تاثير كاهش فشار

يكي از روش هاي توليد بخار سوپرهيت، علاوه بر استفاده از مبدل حرارتي يا سوپرهيت، استفاده از اريفيس يا شير فشار شكن مي باشد. ولي بايد توجه داشت كه اين عمل تنها در صورتيكه انرژي مازاد كافي جهت تبخير رطوبت بخار ورودي به شير فشار شكن و سپس افزايش دما وجود داشته باشد ممكن خواهد بود.

در عمل سوپرهيت شدن بخار در اثر تقليل فشار در شرايط بسيار خشك بودن بخار ورودي يا در صورت تقليل فشار زياد، اتفاق خواهد افتاد.

-مثال۴ ، ۳ ، ۲:افزايش خشكي بخار با استفاده از شيركنترل:

بخار با ضريب خشكي ۰٫۹۵ ازشير فشارشكن عبور كرده و از فشار۶ barg به ۱ barg تقليل فشار مي يابد. شرايط بخار بعد از شير را محاسبه كنيد.

از جدول بخاراشباع با فشار۶ barg:

از جدول بخاراشباع با فشار ۱ barg:

آنتالپي كل درفشار۶ barg=

اين مقدار انرژي در هنگام گذر بخار از شير فشار شكن ثابت خواهدماند.

آنتالپي كل بخار در فشار۱ barg برابر است با:

از آنجايي كه آنتالپي يا انرژي حاصل(۲۶۶۰٫۲ Kj/kg) كمتر از آنتالپي كل بخار اشباع در فشار ۱ barg است، بنابراين بخار سوپرهيت نشده و حاوي مقداري رطوبت خواهد بود.

مجددا آنتالپي كل بخار در فشار۱ barg برابر است با:

-مثال ۵ ، ۳ ، ۲ :سوپر هيت ايجاد شده توسط شير كنترل:

توسط يك شير فشار شكن بخاري با ريب خشكي۰٫۹۸ از فشار ۱۰ barg به فشار ۱ barg ، تقليل فشار داده مي شود(شكل۴ ، ۳ ، ۲). درجه سوپرهيت بعد از شير را محاسبه كنيد.

< جدول بخار اشباع

 از جدول بخار اشباع با فشار۱۰ barg :

همانندمثال ۳ ، ۳ ، ۲ آنتالپي كل بخار خشك در فشار ۱ barg برابر ۲ ۷۰۶٫۷kj/kg است.

آنتالپي كل بخار خروجي از شير بيشتر از آنتالپي كل اشباع در فشار۱ barg است و بنابراين نه تنها بخار كاملا خشك خواهد بود، كاملا خشك خواهد بود، بلكه تا حدي سوپرهيت مي گردد.

اين مقدار انرژي صرف افزايش دماي بخار با فشار۱ barg از دماي اشباع۱۲۰  ۰c به دماي۱۳۶  ۰c مي گردد. (اردياگرام مولير۵ ، ۳ ، ۲)

-دياگرام مولير:

درجه سوپرهيت با استفاده از جداول سوپرهيت يا نمودار مولير قابل محاسبه است(sg).

شكل۵ ، ۳ ، ۲ نشان دهنده قسمت كوچك و ساده شده اي از دياگرام مولير است. دياگرام مولير نشان دهنده ارتباطات متعدد بين آنتالپي ، آنتروپي ، دما ، فشار و ضريب خشكي است. در نظر اول بعلت خطوط زياد نمودار ممكن است كمي پيچيده بنظر برسد.

<

-خطوط آنتالپي ثابت(افقي)

-خطوط آنتروپي ثابت(عمودي)

-منحني بخار اشباع كه از وسط نمودار عبور مي نمايد، دو ناحيه بخار مرطوب در پايين منحني و بخار سوپرهيت در بالاي منحني را بوجود مي آورد. منحني اشباع نشان دهنده شرايط مختلف بخار اشباع خشك در فشارهاي مختلف است.

-خطوط فشار ثابت در هر دو ناحيه

-خطوط دما ثابت در ناحيه سوپرهيت

-خطوط ضرايب خشكي بخار(x) در ناحيه مرطوب

فرآيند انبساط كامل نظير توربين هاي بخار ، فرآيند آنتروپي

مطالب مرتبط :

بررسی كيفيت بخار 

بررسی مزاياي بخار

مزاياي بخارچیست ؟