واحد تولید بخار بخش دوم

تاثیر حرارت روی ماده

انتقال حرارت موقعی انجام می شود که حرکت یا جریانی از انرژی حرارتی، از یک ماده به ماده دیگر وجود داشته باشد.

(حرکت یا جریانی از انرژی حرارتی از یک ماده به ماده دیگر را انتقال حرارت می نامند) برای اینکه حرارت بین دو ماده انتقال یابد، باید اختلاف درجه حرارت ما بین آن دو ماده برقرار باشد.

انتقال حرارت بین دو ماده که در یک درجه حرارت باشند انجام نمی شود. موقعی که اختلاف درجه حرارتی بین دو ماده وجود داشته باشد حرارت همیشه از ماده گرمتر به ماده سردتر انتقال می یابد. یک اثر جریان گرما روی ماده، تغییر در دمای ماده می باشد.

وقتیکه جریان گرما منجر به تغییر دما می گردد اصطلاحا به آن گرمای محسوس می گویند. این اصطلاح همچنین در مواقع انتقال حرارت به خارج ماده و کاهش درجه حرارت آن نیز بکار برده می شود.

اثر دیگر جریان حرارت روی ماده ممکن است باعث تغییر فاز (شکل) آن ماده شود. موقعیکه جریان حرارت باعث تغییر دمای ماده نمی شود اما تغییر در حالت فیزیکی ماده می شود اصطلاحا آن را (گرمای نهان) می گویند.

 

شکل (۱) ارتباط بین گرمای محسوس و گرمای نهان آب را در فشار اتمسفر نشان می دهد.

این ارتباط در زیر نقطه انجماد نیز تعمیم پیدا می کند که در این شکل نشان داده نشده (برای اینکه در دیگ های بخار معنایی ندارد) نمودارهای مشابهی را می توان برای آب در فشارهای مختلف و همچنین برای دیگر مواد رسم نمود. البته دماهای مربوط و مقادیر بی تی یو متفاوت خواهند بود.

 

انتقال حرارت بین نقطه انجماد و نقطه جوش

قسمت 1 از شکل (۱) اثر انتقال حرارت روی آب مابين نقطه انجماد و نقطه جوش را نشان می دهد.

انتقال حرارت به آب و یا حرارت گرفتن از آب در این ناحیه باعث تغییر دما می شود بنابراین این ناحیه را ناحیه گرمای محسوس می نامند.

 

اختلاف دمای بین نقطه انجماد و نقطه جوش آب (۱۸۰) است. فرض می شود که آب در(۳۲ درجه فارنهایت) صفر(بی تی یو) انرژی دارد. بنابراین یک پوند آب در نقطه انجماد(۱۸۰ بی تی یو) انرژی حرارتی لازم دارد تا به نقطه جوش برسد.

پس آب در (۲۱۲ درجه فارنهایت و در فشار اتمسفر) دارای انتالپی (۱۸۰ بی تی یو) بر پوند است. بخش شکل (۱) اثر انتقال حرارت در طول تغییر فاز بین آب و بخار را نشان می دهد.

در نقطه جوش آب وقتی حرارت به آن داده می شود، تغییر شکل (تغيير فازی) به بخار شروع می شود. مخلوطی از آب و بخار در طول تغيير شكل (فاز) وجود دارد.

انتقال حرارت در این ناحیه هیچ تغییری در دما ایجاد نمی کند و این بخش ناحیه گرمای نهان تبخیر است.

 

دمای مخلوط تا موقعی که مقدار کافی حرارت جهت تکمیل تغییر شکل (فاز) به آن داده شود، افزایش نمی یابد. حرارت لازم جهت تکمیل تغییر فاز آب به بخار را گرمای نهان تبخیر می نامند.

گرمای نهان تبخیر برای یک پوند آب در فشار اتمسفر ۹۷۰ بی تی یو می باشد. اگر چه در این زمان هیچ گونه تغییر در افزایش دما به وجود نمی آید ولی حرارت تلف نمی شود و در بخار بعنوان انرژی حرارتی ذخیره می گردد.

 

لذا یک پوند بخار شامل۱۱۵۰( بی تی یو) انرژی است که ۹۷۰ ( بی تی یو) از آن بصورت گرمای نهان تبخیر و ۱۸۰ (بی تی یو) از آن بصورت گرمای محسوس آب تا دمای ۲۱۲ فارنهایت است.

 

بازگشت بخار به آب

موقعی که حرارت از بخاری که در دمای جوش می باشد گرفته می شود تغییر شکل (فاز) از بخار به آب آغاز می گردد، بخار شروع به میعان می کند تا موقعی که گرمای نهان بطور کامل از بخار گرفته شود. این گرما را اغلب گرمای نهان میعان می نامند.

 

بخش III شکل (۱) اثرانتقال حرارت به بخار، پس از تغییر شکل کامل آب به بخار را نشان می دهد. در خلال این مدت هیچ تغییرشکل دیگری پیش نمی آید و هرگونه افزایش حرارت باعث افزایش دمای بخار می گردد.

افزایش دمای بخار بالای نقطه جوش آن را سوپرهیتینگ (Super Heating) می نامند. سوپرهیتینگ بخار تنها در درون سیستم های تحت کنترل نظیر دیگ بخار انجام می شود. و دمائی که ماده ای در آن دما می جوشد را دمای اشباع نیز می گویند.

*آب را در دمای اشباع اصطلاحا آب اشباع شده و بخار آن را بخار اشباع شده می نامند. در فشار اتمسفر آب دارای دمای اشباع ۲۱۲ درجه فارنهایت است.

 

بخار اشباع

موقعی که یک ماده در دمای اشباعش قرار دارد گفته می شود که در نقطه اشباعش می باشد. نقطه اشباع آب با فشار آب تغییر می کند، به این معنی که نقطه جوش آب با افزایش فشار آن افزایش می یابد.

همچنین رابطه متناظر پایین دمای آب و مقدار( بی تی یو) آب با تغییرات فشار، تغییر می نماید. روابط بین نقطه اشباع، دمای آب و فشار آن از خواص ترمودینامیکی ثابت هستند.

 

مقادیر مورد نظر آنها را در جداول بخار که به وفور در دسترس می باشند می توان پیدا کرد. در میان جداول مرجع موجود، جدول دما برحسب درجه فارنهایت و جدول فشار بر حسب فشار مطلق PSIA مشخص هستند.

جدول دیگری که بر حسب فشار می باشد دارای اطلاعاتی راجع به انتالپی و انتروپی و حجم مخصوص بخار سوپرهیت است و مقادیری را که در بین موارد لیست شده در جدول موجود نیستند را می توان توسط روش درون یابی معین نمود.

در یک مرور ساده روی جدول به این نتیجه می رسیم که هر چه فشار بخار افزایش می یابد از گرمای نهان تبخیر کاسته می شود، این مورد بدین دلیل است که هر چه فشار بخار بالاتر می رود، بخارسنگین تر می شود یا بیشتر به سمت آب نزدیک می شود و چون اختلاف کمتری بین بخار و آب بوجود آمده و بدین ترتیب انرژی کمتری جهت تبدیل آب به بخار لازم است.

 

اگر همین طور فشار افزایش یابد به نقطه ای می رسیم که هیچ تفاوتی بین بخار و آب وجود ندارد، این نقطه (نقطه بحرانی) نامیده می شود و زمان آن وقتی است که فشار دیگ (PSIA 3206 ) می باشد گرمای نهان تبخیر در نقطه بحرانی به صفر می رسد.

 

محاسبه کیفیت بخار

* کیفیت بخار فاکتور مهمی از عملکرد کارآیی دیگ بخار می باشد و به واحد سنجش بخار گفته شده و به % تعیین می شود و بخاری که کاملا تبخیر نشده باشد به بخار تر معروف می باشد.

* مقدار درصد وزنی قطرات آب در بخار تر را درصد رطوبت گویند از نظر ریاضی، کیفیت بخار مرطوب را با کم کردن مقدار درصد رطوبت از (۱۰۰) تعیین می نمایند.

هر چه بخار خشکتر باشد کیفیت بخار بهتر است، کیفیت بخار با ۱۰۰ نشان دهنده این است که بخار (۱۰۰%) خشک می باشد و از طرفی کیفیت بخار(۹۰) نشان دهنده آن است که ۱۰٪ وزنی از آن را قطرات آب تشکیل می دهد.

دستگاه ها و اجزائی که با بخار کار می کنند جهت کار با بخار خشک طراحی می شوند، کیفیت پائین بخار می تواند موجب صدمه دیدن دستگاه ها و تجهیزات گردد.

در یک دیگ بخار، آب در یک سطح معین شده ای نگهداری می شود که پائین آن همیشه مخلوط آب و بخار وجود دارد. در دیگ، بخار تولید شده بخار مرطوب می باشد که رطوبت آن باید از آن گرفته شود.

بدین منظور از تجهیزاتی به نام خشک کننده بخار که در داخل درام دیگ بخار نصب می شوند، استفاده می گردد، که وظیفه آنها جدا کردن هرگونه قطرات آب که در بخار وجود دارد، از بخار قبل از خروج بخار از دیگ بخار است.

* یک دیگ بخار با عملیات و نگهداری متناسب، بخار خشک خوبی تولید می کند. *

 

تقلیل فشار:

همانطور که قبلا اشاره شد، بخار در فشار بالا تولید شده و پس از توزیع و در صورت لزوم در نقطه مصرف تقلیل فشار می یابد. لزوم استفاده از فشار کمتر ممکن است بعلت محدوده فشار قابل تحمل تجهیزات و یا دمای مجاز فرایند باشد. عمل تقلیل فشار توسط شیرهای فشار شکن انجام می گردد.

بخار در نقطه مصرف:

نمونه های بسیاری از مصرف کننده های بخار وجود دارند که بطور مثال می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• Jacketed pan : ظروف بزرگ فولادی یا مسی که در صنایع غذایی و یا دیگر صنایع، به منظور جوشاندن مواد استفاده می شوند. این ظروف بزرگ بوسیله ژاکت و یا جدار پر از بخار احاطه شده که سیال فرایند را گرم می نماید.
• Auto Clave: اتوکلاوها محفظه های پر از بخاری هستنمد که بمنظور استرلیزه کردن تجهیزات، نظیر تجهیزات پزشکی یا به منظور انجام فرایندهای شیمیایی در دماها و فشارهای بالا استفاده می شوند.
• Heater Battery : در کاربردهای تهویه مطبوع، بخار وارد کویل های حرارتی در هوارسان ها شده و هوای عبوری از روی کویل را گرم می کند.
• مخازن گرم کننده مواد: کویل بخار که در داخل مخزن پر از مایع قرار دارد موجب گرم شدن مایع تا دمای خاص می گردد.
• Corrugators: مجموعه ای از غلطک های پر از بخار که در فرایند شکل دادن به مواد استفاده می شود.
• مبدل های حرارتی: به منظور گرم کردن آب در مصارف بهداشتی و یا صنعتی استفاده می شوند.

– کنترل فرایند:

تمام مصرف کننده های بخار، نیاز به استفاده از تجهیزاتی جهت کنترل جریان بخار دارند و در واقع طبق شرایط مختلف مقادیر متفاوتی از بخار را مصرف می کنند. بطور مثال در هنگام راه اندازی سیستم جریان زیادتر بخار جهت گرمایش سریع سیستم مورد نیاز بوده و پس از رسیدن فرایند به دمای مطلوب، جریان کاهش داده می شود.

بمنظور کنترل جریان از شیرهای کنترل استفاده می شود. اکچوایتور همانطور که در شکل 6-3-1 مشخص گردیده، قطع ای است که نیروی لازم جهت باز و بسته شدن شیر را اعمال می نماید.

سنسور شرایط فرایند را حس کرده و اطلاعات را به کنترلر منتقل می نماید. کنترلر شرایط فرایند را با نقطه تنظیم مقایسه کرده و سیگنال اصلاحی را به طرف اکچوایتور ارسال می نماید که وضعیت قرارگیری و میزان باز بودن شرایط شیر را تنظیم می کند.

 

– انواع شیرهای کنترل:

• شیرهای کنترل نیوماتیک: هوای فشرده به دیافراگم داخل اکچوایتور اعمال و شیر را باز و بسته می نماید.
• شیرهای کنترل الکتریکی: یک موتور الکتریکی شیر را باز و بسته می نماید.
• شیرهای کنترل خود عملگر: سنسور خاص پر از مایع قابل انقباض و انبساط به تغییرات دمای فرایند پاسخ داده و این عمل باعث باز و بسته شدن شیر می گردد.

– برداشت کندانس از سایت :

غالبا، کندانس تشکیل شده در سایت براحتی توسط تله بخار تخلیه شده، سپس وارد سیستم تخلیه کندانس می شود. بعد از نمونه گیری از کندانس در صورت آلوده بودن، احتمالا تخلیه و در غیر این صورت، انرژی با ارزش موجود در آن با برگرداندن به تانک تغذیه، بازیافت می شود. همچنین این کار منجر به بازیافت آب و عملیات شیمیایی انجام شده می گردد.

در برخی مواقع، احتمال تشکیل خلاء در تجهیزات مصرف کننده بخار وجود دارد که مانع از تخلیه کامل کندانس می شود، ولی با استفاده از تجهیزات و روش های صحیح تخلیه کندانس می توان از این امر اطمینان حاصل نمود.

در مواردی نیز تخلیه کندانس از مصرف کننده ها با استفاده از پمپ های مکانیکی انجام می گردد. پمپ های مکانیکی توسط نیروی بخار کار می نمایند. در برخی موارد نیز از پمپ های الکتریکی، به منظور بازگشت کندانس به مخزن کندانس استفاده می شود.

کندانس برگشتی از سایت به تانک کندانس، به سمت دی اریتور و دیگ پمپاژ می گردد تا سیکل کامل و از سر گرفته شود. همانطور که دیده می شود، بخار و کندانس سیکل کاملی را تشکیل می دهند.