بخار چیست؟

آب در سه حالت جامد (یخ)، مایع (آب)، گاز (بخار) وجود دارد. بخار در واقع فاز گازی آب است. چنانچه آب حرارت ببیند و دمای آن افزایش پیدا کند، می‎تواند به بخار تبدیل شود. که این دما برای آب خالص در فشار اتمسفریک (سطح دریای آزاد)، ۱۰۰ درجه سانتیگراد می‎باشد. حجم بخار در این فشار تقریباً ۱۶۰۰ برابر آب است.

بخار چیست

آنتالپی مخصوص بخار

آنتالپی مخصوص بخار ، انرژی واحد جرم بخار است که از مجموع انرژی آب و بخار بدست می‎آید و واحد آن در سیستم بین المللی کیلوژول بر کیلوگرم است. همانطور که مشخص است گرمای نهان آب مقدار قابل توجهی است. از همین رو بخار می‎تواند انرژی قابل ملاحضه ای را حمل کند؛ که این انرژی با افزایش فشار بیشتر می‎گردد.

همچنین steam امتیازات دیگری نیز دارد که از آن جمله می‎توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. استریل بوده و غیر سمی است.
2. در صورت نشت محیط را آلوده نمی‎کند.
3. خواص انتقال حرارت مناسبی دارد.
4. آب که برای تولید آن لازم است تقریباً در همه جا وجود دارد.

این امتیازات باعث کاربرد فراوان بخار در صنایع مختلف است.

انواع steam

بخار اشباع و سوپرهیت (فوق گرم)

همانطور که گفتیم آب در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد به steam تبدیل می‎شود. (در این فشار دمای آب اشباع است)، این دما با افزایش فشار بیشتر شده و به دمای ۱۸۴ درجه سانتیگراد می‎رسد. به رابطه بین دمای اشباع و فشار به اختصار منحنی بخار اشباع می‎گویند.

آب و steam در هر فشاری می توانند در شرایط دمایی اشباع وجود داشته باشند. حال چنانچه در هر فشار steam با دمای بالاتری از منحنی steam اشباع وجود داشته باشد به آن اصطلاحاً بخار سوپرهیت یا فوق گرم اطلاق می‎گردد. بنابراین در دمای سوپرهیت به هیچ عنوان آب وجود ندارد و صرفاً بخار فوق گرم وجود دارد. به همین دلیل سرعت حرکت steam سوپرهیت را می‎توان بالاتر از بخار اشباع در نظر گرفت.

steam سوپرهیت اصولاً در واحدهای نیروگاهی تولید برق و به عنوان عامل محرک توربین ها مورد استفاده قرار می‌‎گیرد. برای حرکت دادن توربین ها، steam سوپرهیت دارای راندمان حرارتی بالاتری نسبت به steam اشباع می‏‎باشد.

حجم بخار اشباع

با افزایش فشار از حجم آن کاسته می‎شود. این تغییر حجم از فشار 0barg تا ۷barg دارای شیب تندتری است و بعد از آن با شیب کندتری کاهش می‎یابد. از این رو است که فشار اکثر دیگ های steam صنعتی را روی ۷barg تنظیم می‎کنند.

چرخه رانکین

چرخه ای است که در آن حرارت به کار تبدیل می‎شود، این چرخه بالغ بر ۹۰ درصد برق دنیا را تأمین می‎کند. نیروگاه‎های حرارتی، خورشیدی، بیوماس، هسته‎ای و… از جمله نیروگاه‎هایی هستند که بر پایه این چرخه عمل می‎کنند. در چرخه رانکین یک چرخه ایده‎آل برای نیروگاه حرارتی با قدرت steam است.

در چرخه رانکین مراحل زیر طی می‎شود:

1. آب از کندانسور در فشار پایین به دیگ بخار پمپ می‎شود که این بویلر در فشار کاری بالاتری کار می‎‎کند. این مرحله برگشت پذیر آدیاباتیک می‎باشد.
2. در این مرحله  آب به بخار تبدیل می شود. این پروسه در بویلر و در فشار ثابت صورت می‎پذیرد. گرمای داده شده به بویلر، این مرحله را امکان پذیر می سازد.
3. مرحله انبساط بخار در توربین که آدیاباتیک برگشت پذیر می‎باشد.
4. در این مرحله بخار در فشار به آب تبدیل می‎شود. این پروسه در کندانسور صورت می‎گیرد.

steam سوپرهیت دارای مزایای زیادی است، از جمله:

1. باعث ساییدگی توربین نمی‎شود اما steam اشباع در توربین باعث تولید قطرات آب و ساییدگی پره های توربین می‎گردد.
2. خطوط سوپرهیت با سرعت‎های بالاتر و خطوط توزیع پایین‎تری می‎تواند مورد استفاده قرار بگیرد. (افت فشار خیلی زیاد نیست)
3. برای واحدهای ۲۴ ساعته، بخار سوپرهیت به معنای عدم وجود کندانس در خط است لذا استفاده از استیم تراپ فقط در شروع راه‎اندازی مورد نیاز است.

استفاده از steam سوپرهیت دارای معایب زیر است:

1. اگرچه دارای انرژی گرمایی بالاتری است اما این انرژی به ۳ صورت می‎باشد؛ آنتالپی آب، آنتالپی تبخیر (گرمای نهان) و آنتالپی سوپرهیت. توده اصلی در آنتالپی تبخیر وجود دارد و این انرژی در بخار سوپرهیت سهم کمتری دارد.
2. وقتی از بخار سوپرهیت به عنوان ماده انتقال حرارت استفاده می‎شود، ضریب انتقال حرارت پایین و متغیر است و تعیین دقیق آن بسیار مشکل می‎باشد. این امر کنترل دقیق را در تجهیزات انتقال حرارت مشکل می سازد و در این صورت به مبدل‎های حرارتی بسیار بزرگ و گران‎ قیمت نیاز است.
3. وقتی بخار سوپرهیت تا دمای اشباع سرد شود، ضریب انتقال حرارت بصورت شگرف افزایش می‎یابد و دما در نقطه‎ای که به steam تبدیل می‎شود ثابت باقی می‎ماند. این امر موجب کنترل دقیق تجهیزات انتقال حرارت می‎شود.
4. وجود ضریب انتقال حرارت بالا در steam اشباع باعث استفاده نمودن از مبدل‎های حرارتی کوچک و ارزان قیمت در مقایسه با steam سوپرهیت می‎شود.
5. برخی فرآیندها (مانند ستون‎های تقطیر) وقتی steam سوپرهیت را استفاده می‎کنند دارای راندمان کمتری هستند.
6. به دلیل دمای بالاتر، ممکن است به تجهیزات حساس آسیب وارد کند.
7. این معایل باعث می شود که بخار سوپرهیت برای کاربردهای حرارتی نامطلوب باشد. لذا باید آن را به بخار اشباع تبدیل نمود.

اساس دی‎سوپرهیت نمودن

دی‎سوپرهیت نمودن فرآیندی است که در آن steam سوپرهیت به بخار اشباع تبدیل می‎شود و یا آنکه دمای سوپرهیت کاهش می‎یابد. بیشتر دی‎سوپرهیترها برای برگشت دادن بخار سوپرهیت به بخار اشباع یا بخاری نزدیک به دمای steam اشباع بکار می‎روند. اصولاً دو نوع سوپرهیتر وجود دارد.

نوع تماس غیر مستقیم

در این نوع دی‎سوپرهیترها ماده مورد استفاده برای خنک سازی steam سوپرهیت در تماس مستقیم با بخار نیست. ممکن است از یک مایع یا گاز خنک‎تر برای این کار استفاده شود؛ برای مثال هوای محیط.

دمای سوپرهیت نمودن بخار را می‎توان با کنترل فشار بخار سوپرهیت ورودی یا میزان سیال خنک کننده کنترل نمود. کنترل فلوی بخار سوپرهیت برای این منظور بصورت عملی غیر ممکن است و بیشتر سیستم‎ها بر اساس میزان فلوی سیال خنک کننده طراحی می‎شوند.

نوع تماس مستقیم

در این نوع دی‎سوپرهیترها ماده واسط مورد استفاده برای خنک سازی steam سوپرهیت با آن در تماس مستقیم قرار دارد. در بیشتر حالات، ماده خنک کننده آب است و آب کندانس سیستم steam  یکی از بهترین گزینه‎‎ها است.

در غیر اینصورت آب مورد استفاده در دی‎سوپرهیتر باید مورد پیش تصفیه قرار گیرد. در این حالت مقدار مشخصی آب از طریق یک میکسر وارد steam سوپرهیت می‎شود. آب با ورود به به دی‎سوپرهیتر با جذب حرارت از بخار سوپرهیت تبخیر می‎شود و در نتیجه دمای بخار سوپرهیت کاهش می‎یابد.

کنترل مقدار آب اضافه شده  اغلب با استفاده از اندازه گیری دمای بخار خروجی از دی‎سوپرهیتر امکان پذیر است. دمای تنظیم شده برای steam خروجی معمولاً  از ۳ درجه، بیشتر از دمای بخار اشباع نیست.

بخار فلش

با افزایش فشار آنتالپی آب اشباع افزایش پیدا می کند. حال چنانچه فشار مذکور به یکباره از روی آب برداشته شود، انرژی اضافی بین آنتالپی آب در فشار بالاتر و آنتالپی آب در فشار پایین تر بخشی از آب را به steam تبدیل می کند.

این اتفاق در تخلیه steam trap  به سیستم کندانس با فشار پایین‌تر نیز می‎افتد.