نیروی بخار

KN7-10130

مقدمه

انتقال گرما و حرارت یکی از دغدغه های بشر در طول تاریخ بوده است. یکی از ساده ترین راه های انتقال حرارت استفاده از بخار آب می باشد. آب، سیالی با ظرفیت حرارتی بالاست و این امر در کنار ارزانی و در دسترس بودن آن، این امکان را فراهم می سازد تا از آن به عنوان یک ناقل حرارت در صنایع مختلف و مصارف معمول استفاده شود. بخارآب، علاوه بر داشتن خواص آب، گرمای نهان تبخیر را نیز در خود نگه می دارد و از آن می توان برای انتقال حرارت استفاده کرد. یکی دیگر از دلایل استفاده از بخار آب، رنج دمایی بالایی است که می تواند در خود جای دهد. قابل ذکر است که بنا بر جداول ترمودینامیکی، بخار آب تا حدود 1300 درجه ی سانتی گراد در فشار 500 بار ( bar)، می تواند ایجاد گردد. اما این نکته حیاتی است که تولید بخار در عمل تا چه درجه ای و در چه فشار کاری امکان پذیر است و یا این که تا چه حد هزینه باید کرد تا به فشارهایی بالاتر از 100 بار (bar) دست یافت تا در آن در درجه حرارت مناسب بخار تولید گردد.

 

تولید بخار

برای تولید بخار، از دیر باز تاکنون روش های متفاوتی همچون کتری، بویلر لوکوموتیو و … استفاده شده است. هم اکنون در بیشتر مصارف، برای تولید بخار از بویلر بخار استفاده می شود مگر این که دبی بخار مورد نیاز بسیار پایین باشد و استفادهاز بویلر بخار به صرف نباشد. 

 

1-1-محدوده استفاده از بخار

تولید بخار از حدود 90 تا 420 درجه سانتی گراد رایج می باشد. برای این منظور نیاز است تا فشار از حدود 0.8 بار تا 100 بار تغییر کند. طراحی بویلرها و  استفاده از ادوات جانبی، همچون سوپر هیتر به همین منظور می باشد.

باید ذکر کرد در برخی مصارف از بخار سرد نیز استفاده می شود که توسط دستگاه های برقی تولید می گردند و نیاز به موتورخانه و یا کنترل کننده خاصی ندارند. بخار سرد بیشتر در مصارف درمانی به کار برده می شود.

 

1-1-1 نمودار فازی

همان طور که مشخص است، بیشتر مواد در بیش از یک فاز موجود می باشند ( فاز قسمتی از ماده است که دارای خواص فیزیکی و شیمیایی یکسان می باشد.) یعنی مواد می توانند جامد، مایع و یا گاز باشند. حتی بعضی از مواد بیشتر از یک فاز جامد دارند. به عنوان مثال، کربن می تواند به عنوان گرافیت، الماس و یا خانواده C60 وجود داشته باشد. تصور کنید کاغذی برداشته و نموداری بکشیم که محور عمودی آن مبین فشار بوده و محور افقی آن دما را نشان دهد.  اکنون فرض کنید سیستم مورد نظر در یک فشار و دمای خاص قرار دارد. بنابراین می توان فاز سیستم را در این حالت مشاهده کرد. این فاز گاز (g)، مایع ( L) یا جامد () یا جامد (S) است. اگر نقطه ی مربوط به فشار و دمای موجود را بر روی نمودار فشار – دمای ترسیم شده علامت زده و علامت اختصاری مربوط به فاز ماده را در آن نقطه بنویسیم، برای چندین حالت ترکیبی از فشار و دما به نموداری مشابه نمودار زیر خواهیم رسید :

اگر این عمل را در نقاط زیادی با فشارها و دماهای مختلف انجام داده، فاز ماده را درنقاط موردنظر مشاهده کرده و آن ها را بر روی نمودار مشخص کنیم، ملاحظه می کنیم که این فازها در نواحی خاصی از هم جدا می شوند. اگر این عمل را در حالت حدی در بینهایت نقطه انجام دهیم، ملاحظه می شود که این نواحی توسط منحنی هایی از یکدیگر جدا می شوند.

خطی که نواحی جامد و مایع را از یکدیگر جدا می کند melting curve یا همان منحنی ذوب، خطی که نواحی مایع و گاز را از یکدیگر جدا می کند vaporization  یا منحنی تبخیر و خطی که نواحی جامد و گاز را از یکدیگر جدا می کند sublimation curve یا منحنی تصعید نامیده می شود.

 

انرژی پنهان

برای تغییر فاز سیال، انرژی ای لازم است که به آن انرژی نهان می گوییم. به عنوان مثال انرژی لازم برای سیال به منظور تغییر فاز یافتن از حالت مایع به گاز را انرژی نهان تبخیر یا آنتالپی تبخیر می نامند. علت نام گذاری این انرژی به نام انرژی نهان، این  است که در زمان تغییر فاز هیچ تغییر دمایی در سیستم اتفاق نیفتاده و تغییر فاز در دمای ثابت روی می دهد. در نواحی بین خطوط، تنها همان فازی که علامت اختصاری آن ملاحظه می شود، وجود دارد. بر روی خطوط، دو فازی که در دو طرف خط دیده می شوند با یکدیگر در تعالند و همراه با یکدیگر، در ترکیب وجود دارند. نقطه ای که در آن سه منحنی با یکدیگر برخورد می کنند، نقطه ی سه گانه ( triple point ) نامیده می شود. در نقطه سه گانه، هر سه فاز با یکدیگر در تعادلند. قابل ذکر است که این سه فاز تنها می توانند در همین نقطه با یکدیگر در تعادل باشند. اگر نقطه ی سه گانه فشاری کمتر از فشار اتمسفر داشته باشد، نقطه ذوب و جوش آن را نرمال تعریف می کنیم.

نقطه ذوب و جوش نرمال

به عبارت دیگر، نقطه ذوب نرمال، دمایی است که در آن دما، ماده در فشار اتمسفر ذوب می شود ( همان طور که می دانیم نقطه ی ذوب با تغییر فشار تغییر می کند). نقطه جوشش نرمال، دمایی است که در آن، ماده در فشار یک اتمسفر می جوشد.

 

1-1-2- نقطه بحرانی

در این نمودار نقطه ای به نام نقطه ی بحرانی تعریف می شود که در بالای آن، ماده به هیچ وجه نمی تواند به مایع تبدیل شود. این موضوع به  این معناست که منحنی فشار بخار باید در این نقطه تمام شود.

از آن جا که تعریف نقطه ی بحرانی با ابهامات زیادی همراه است، این نقطه را با حساسیت بیشتری معرفی خواهیم کرد. در دماهای بالا، ذرات گاز انرژی جنبشی خیلی بالایی دارند. این انرژی در حدی بالاست که آن ها به هیچ عنوان نمی توانند به مایع تبدیل شوند. بالاترین دمایی که در آن گاز و مایع می توانند با یکدیگر در تعادل باشند، به عنوان نقطه ی بحرانی شناخته شود.

فشاری که برای مایع کردن گاز در دمای بحرانی مورد نیاز است را فشار بحرانی می گوییم.

اطلاعات مربوط به فشار و دمای بحرانی مورد نیاز است را فشار بحرانی می گوییم. اطلاعات مربوط به فشار و دمای بحرانی را در روی نمودار به عنوان نقطه ی بحرانی تعریف می کنیم. در دماهای بالاتر از نقطه ی بحرانی، ماده را به عنوان سیال فوق بحرانی یا supercritical fiuid  نام گذاری می کنند. رفتار ماده در این حالت بسیار جالب است. یک سیال فوق بحرانی کشش سطحی نداشته و لزجت بسیار کمی دارد، در حالی که چگالی آن هنوز همان چگالی مایع بوده و حلال بسیار خوبی می باشد.

می دانیم که حالت یک ماده تراکم پذیر ساده، با دو خاصیت مستقل مشخص می شود. دو خاصیت مناسب انتخاب شدند، باقی خواص وابسته می شوند. به عنوان مثال دما و حجم مخصوص همیشه دو خاصیت مستقل از هم می باشند و می توانند با هم حالت یک سیستم تراکم پذیر ساده را مشخص کنند ( سیستمی که تحت تاثیر الکتریکی، مغناطیسی، جاذبه ای حرکتی و تنش های سطحی قرار بگیرد، یک سیستم تراکم پذیر ساده نامیده می شود). دما و فشار برای سیستم های تک فازی، مستقل از هم بوده ولی برای سیستم های چند فازی، وابسته به هم می باشند. در شکل زیر نمودار فشار – دما – حجم مخصوص یک ماده ی تک جزئی مثل آب را مشاهده می کنیم. ( ماده تک جزئی ماده ایست که در حالت جامد تنها یک ساختار دارد) می توان این نمودار را در هر دو صفحه دلخواهی مشاهده کرد. اگر این نمودار را در صفحه ی فشار – حجم مخصوص ملاحظه کنیم، به شکل زیر خواهد بود :

در شکل های بالا ملاحظه می شود که در نمودار، منحنی هایی به نام های مایع و اشباع به این معنی است که  اگر اندکی حرارت به سیال داده شود یا از آن گرفته شود، بلافاصله تغییر فاز صورت می گیرد.

مایع اشباع با جذب اندکی حرارت بلافاصله تبدیل به بخار شده و بخار اشباع با از دست دادن اندکی حرارت، بلافاصله تبدیل به مایع می شود. به مخلوط مایع اشباع و بخار اشباعی که در فضای محفظه ی حاوی آن ها وجود دارد نیز، مخلوط اشباع می گوییم. واژه ی دیگری که با آن سر و کار داریم، بخار سوپرهیت است. بخار سوپرهیت بخاری است که حرارتی بیشتر از حالت اشباع را در خود جای داده است. به معنای دیگر، این بخار با از دست دادن انرژی بلافاصله مایع نمی شود. بخار سوپرهیت در سمت راست منحنی بخار اشباع قرار می گیرد. در این فضا، ماده تک فازی است و می توان در جداول مربوط به آن، از دما و فشار به عنوان خواص مستقل ترمودینامیکی استفاده کرد.

همچنین مایع متراکم، مایعی است که در شرف تبدیل شدن به بخار قرار ندارد. به این معنا که با جذب حرارت تنها افزایش دما می دهد. در صورت نداشتن اطلاعات مربوط به مایع متراکم، می توان آن را در دمای داده شده به صورت مایع اشباع در نظر گرفت. این مطلب به این معناست که مایع متراکم تابق قوی تری از دما می باشد تافشار.

در شکل زیر منحنی دما – حجم مخصوص آب را در فشارهای مختلف ملاحظه می کنید. اعدادی که در ناحیه ی بخار سوپرهیت بر روی نمودار نوشته شده اند، مقادیر خطایی هستند که در صورت فرض کردن بخار در آن نقطه به عنوان گاز ایده آل رخ می دهند.

 

 

1-1-3- صورت مختلف جذب انرژی توسط آب بویلر

پس از بررسی نمودار فازی آب، به تحلیل نحوه های انتقال حرارت در بویلرها و تبدیل آب شهر در دمای پایین به آب سوپر هیت مورد نیاز می پردازیم. باید ذکر کرد که در مصارف مختلف نیاز به بخار در شرایط متفاوتی احساس می شود. برای مثال برای سونای بخار نیاز به بخار سوپرهیت نیست و تنها بخار اشباع جواب گوی نیاز مجموعه می باشد اما در نیروگا ه های حرارتی بخار باید به صورت سوپرهیت در اختیار توربین قرار بگیرد. در زیر به بررسی جامع مراحل تبدیل آب به بخار در بویلر می پردازیم :

به طور کلی جذب انرژی توسط آب بویلر به شکل های زیر صورت می گیرد :

1-      گرمایش آب تغذیه تا نقطه ی جوش

2-     جوشش ( حرارت نهان )

3-     سوپر هیت

4-     بازگرمایش

نحوه توزیع گونه های مختلف انرژی جذب شده توسط بخار تولید شده در بویلر، در شکل زیر مشاهده می شود.

این توزیع، تابعی از فشار بخار می باشد. با افزایش فشار بخار، در صد حرارت نهان در مقایسه با کل حرارت جذب شده توسط بخار، کاهش یافته و درصد سوپرهیت و بازگرمایش بالا می رود.

به طور کلی، قابل ذکر است که فشار بخار در نحوه ی توزیع نسبت های انتقال انرژی در بویلر، سوپرهیتر و بازگرم کننده تاثیر اصلی را دارد.

منبع: مجله پندار پیروزی – گاهنامه داخلی شرکت پاکمن61