بخار سوپرهیت چیست؟

بخار سوپرهیت چیست؟

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 ممکن نبوده و افزایش حرارت موجب تبخیر قطرات آب خواهد شد. بمنظور گرمایش مجدد، بخار اشباع باید از درون یک مبدل حرارتی عبور نماید.

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

بخار سوپرهیت

کاربردهای خاص بخار سوپرهیت

بخار سوپرهیت در کاربردهای 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 که منجر به چرخش رتور می شود. از آنجائیکه انرژی لازم فقط از طریق بخار تامین می شود، بنابراین بخار خروجی از رتور دارای انرژی کمتری خواهد بود.

در صورتی که بخار در دمای اشباع باشد، این کاهش انرژی منجر به کندانس قسمتی از بخار می شود.

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 چکش خواهد شد، بلکه قطرات آب موجب خوردگی شدید پره های توربین می گردند.

راه حل جلوگیری از این مشکلات، استفاده از بخار سوپرهیت در ورودی توربین و استفاده از انرژی آن جهت چرخش رتور بوده که 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 ترمودینامیکی یک موتور حرارتی نظیر توربین، توسط دو تئوری زیر قابل محاسبه است:

-سیکل کارنو که در آن تغییرات دمای بخار خروجی و ورودی با دمای ورودی مقایسه می شود.

-سیکل رانکین که در آن تغییرات انرژی حرارتی بخار ورودی و خروجی با کل انرژی ورودی مقایسه می شود.

مثال۱ ، ۳ ، ۲:

بخار ورودی یک توربین در شرایط ۹۰bara/450 ۰c می باشد. بخار خروجی در فشار ۰.۰۶ bara (خلاء نسبی) بوده و دارای ۱۰% رطوبت می باشد. دمای بخار اشباع ۳۶.۲ ۰c است.

۱ ، ۱ ، ۳ ، ۲:بازده سیکل کارنو را محاسبه نمایید.

۲ ، ۱ ، ۳ ، ۲:بازده سیکل رانکین را محاسبه نمایید.

 

با بررسی سیکل های مذکور نتایج زیر حاصل می شود:

-درجه حرارت یا انرژی ورودی به توربین باید تا حد امکان بالا باشد که 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 که بمعنی فشار و دمای حداقل عملی در این قسمت بوده و معمولا توسط کندانسوز در خروجی توربین تامین می گردد.

با توجه به وجود ۱۰% آب درون بخار، مقدار انرژی واقعی بخار برابر ۹۰% hfg بوده و انرژی واقعی آب نیز ۱۰% hf می باشد.

-محاسبات مثال های ۱ ، ۱ ، ۳ ، ۲ و۲ ، ۱ ، ۳ ، ۲ بیان کننده راندمان ترمودینامیکی بوده و نباید با راندمان مکانیکی اشتباه گرفته شوند.

-اگر چه راندمان های محاسبه شده بظاهر کم بنظر می آیند، باید توجه نمود که نباید به تنهایی جهت راندمان کل 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 یک 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.

جدول بخار سوپرهیت

مثال۲ ، ۳ ، ۲:

مقدار انرژی اضافی در بخار سوپرهیت با دمای ۴۰۰ ۰c و در فشار (۰ barg)1.013 bara نسبت به بخار اشباع در همان فشار را محاسبه کنید؟

این افزایش انرژی در نگاه اول مفید و قابل استفاده است ولی در واقع مهندسینی را که می خواهند از این بخار در فرآیندهای گرمایشی استفاده کنند دچار مشکل 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 ۲.0kj/kg ۰c 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 کاربردهای 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 اینکه بگوئیم بخار سوپرهیت مزیت خاصی بر بخار اشباع جهت کاربرد حرارتی دارد، باید توجه کرد که بخار سوپرهیت به علت استفاده در توربین های تولید نیرو مستقر در سایت، موجود و در دسترس می باشد.

در اکثر مواقع از بخار اشباع جهت کاربردهای گرمایشی استفاده می شود، حتی اگر مجبور به دی سوپرهیت کردن بخار باشیم. در بسیاری از سایت های پتروشیمی و پالایشگاهی نیز بخار سوپرهیت موجود تا حدود ۱۰ 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 مشکل ساز و غیراقتصادی بوده و بهتر است در کاربردهای گرمایش استفاده نشوند.

چند دلیل برای نامناسب بودن بخار سوپر هیت جهت گرمایش

۱-انتالپی

-مقدار آنتالپی بخش سوپرهیت بخار در مقایسه با آنتالپی اشباع آن نسبتا کم می باشد. در صورتیکه بخار از درجه سوپرهیت کمی 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 خنک شدن تا دمای اشباع صرف شده و در این زمان نرخ انرژی منتقل شده کم می باشد.

۲-دمای بخار

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

در مبدل های حرارتی، استفاده از بخار سوپرهیت می تواند منجر به تشکیل لایه نازک خشک 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، شکست و سوراخ شدن لوله ها رخ خواهد داد. در نتیجه دیده می شود که در کاربردهای انتقال حرارت، بخار با درجه زیادی از سوپرهیت چندان مناسب نمی باشد، زیرا:

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

نتیجه مذکور جهت بخار سوپرهیت کمی عجیب به نظر می رسد، چرا که آهنگ انتقال حرارت در یک سطح ارتباط مستقیم با اختلاف دمای طرفین دارد.

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

 

تاثیر افزایش دما بر انتقال حرارت

واضح است که افزایش دما باعث نرخ انتقال حرارت می گردد

در معادله۳ ، ۵ ، ۲ 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 کلی بخار سوپرهیت در طی فرآیند تغییر خواهد نمود ولی همواره از بخار اشباع کمتر می باشد.تخمین مقدار U در سوپرهیت مشکل است چرا که پارامترهای زیادی در آن تاثیرگذار هستند، ولی در کل با افزایش درجه سوپرهیت مقدار U کاهش می یابد.

میزان انتقال حرارت

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

واضح است که 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/m۲ °C)

A=سطح انتقال حرارت (m۲)

ΔT= اختلاف دما بین سیال اولیه و ثانویه (۰C)

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.

ضریب انتقال حرارت کلی بخار سوپرهیت در طی فرایند تغییر خواهد نمود ولی همواره از بخار اشباع کمتر می باشد.

تخمین مقدار U در سوپرهیت مشکل است چرا که پارامترهای زیادی در آن تاثیر گذار هستند، ولی در کل با افزایش درجه سوپرهیت مقدار U کاهش می‌یابد.

بطور مثال، در یک کویل بخار افقی احاطه شده با آب مقدار U برای بخار سوپرهیت در حدود ۵۰-۱۰۰ w/m۲ ۰c است که در مورد بخار اشباع به ۱۲۰۰ w/m۲ ۰c افزایش پیدا می نماید.

 

قابلیت انتقال حرارت بخار سوپرهیت

شکل (۲ ، ۳ ، ۲) همچنین در مورد کویل بخار درون مخزن روغن، مقدار U جهت بخار سوپرهیت حدود ۲۰ w/m۲ ۰c و۱۰۰ w/m۲ ۰c جهت بخار سوپرهیت و مقدار۵۰۰ w/m۲ ۰c جهت بخار اشباع قابل انتظار است.اعداد مذکور تقریبی ونمونه بوده و اعداد واقعی با توجه به ملاحظات طراحی و کارکرد متفاوت می باشند.

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

استفاده از معادله ۳ ، ۵ ، ۲ جهت بخار سوپرهیت بسیار مشکل است زیرا دمای بخار در هنگام انتقال حرارت کاهش می یابد.

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

زیرا دیده شد که بخار سوپرهیت، معمولا در قسمت های اولیه کویل کاهش درجه حرارت و خنک شدن بخار اشباع اتفاق می افتد.

 

۳- 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 (شکل۳ ، ۳ ، ۲).

بدین منظور، بخار سوپرهیت تجهیزات انتقال حرارت نباید بیشتر از ۱۰C سوپرهیت باشد.

شکل ۳، ۳، ۲: 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 ۲ ۰C از بخار سوپرهیت برابر ۱ % سطح کل است. استفاده از درجه سوپرهیت بیشتر از ۱۰ ۰C 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.

 

۴-Fouling

فولینگ در واقع افزایش مقاومت حرارتی در سطوح ناقل حرارت بعلت تشکیل 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 آنجائیکه بخار سوپر هیت گاز خشک است ، انتقال حرارت بخار به طرف دیواره فلزی باید از لایه ساکن مجاور دیواره عبور کند که خود مانع دیگری جهت انتقال حرارت است.

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

ترکیب کلیه عوامل فوق باعث کاهش 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 یک لوله جهت بخار سوپرهیت

-مثال۳ ، ۳ ، ۲ :

بمنظور گرمایش یک مبدل حرارتی با قدرت ۲۵۰ KW از بخار سوپر هیت در فشار از بخار سوپر هیت در فشار ۳ barg و درجه سوپرهیت ۱۰۰c ( دمای ۱۵۴۰c) استفاده می شود تا روغن را از دمای ۸۰۰c به دمای۱۲۰۰c برساند.با استفاده از دمای متوسط ثانویه (rTAm)برابر ۱۰۰۰c ، سطح لازم جهت کویل 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 کنید که کویل با استفاده از بخار اشباع ۳ barg ودمای ۱۴۴ ۰c گرم می شود. ضریب انتقال حرارت کویل بخار اشباع گرم کننده روغن با استفاده از جنس کربن استیل برابر۵۰۰w/m۲ ۰c میباشد.

بنابراین در صورتیکه از بخار اشباع جهت گرمایش کویل استفاده شود سطح حرارتی لازم برابر با ۱۱.۴m۲می باشد.

درجه سوپرهیت بخار برابر ۱۰۰c می باشد.با اعمال ۱% افزایش سطح حرارتی بازا هر ۲۰c سوپرهیت، مقدار افزایش سطح کویل برابر ۵% خواهد بود:

با اضافه کردن ۵% دیگر جهت رسوب گیری در آینده Foling Factor )

 

-کاربردهای دیگر بخار سوپرهیت:

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

در موارد دیگری مانند سیلندرهای خشک کن در صنایع کاغذسازی، ممکن است بخار سوپرهیت در حجم زیاد داخل سیلندر با سرعت کم استفاده شود.
در این مثال بخار سوپرهیت نزدیک به جدار سیلندر سریعا به دمای اشباع رسیده وکندانس می شود و میزان انتقال حرارت با حالت استفاده از بخار اشباع یکسان می باشد. (بخار سوپرهیت در قسمت های میانی سیلندر باقی می ماند).

در مواردی نیز استفاده از بخار سوپرهیت به کاهش کیفیت محصول منجر می‌شود. در مواردی که بخار سوپرهیت بعنوان یکی از مواد فرایند استفاده می‌شود، بخار سوپرهیت ممکن است به خشک شدن فرایند غذایی منجر شود.

 

-تاثیر کاهش فشار

یکی از روش های تولید بخار سوپرهیت، علاوه بر استفاده از مبدل حرارتی یا سوپرهیت، استفاده از اریفیس یا شیر فشار شکن می باشد. ولی باید توجه داشت که این عمل تنها در صورتیکه انرژی مازاد کافی جهت تبخیر رطوبت بخار ورودی به شیر فشار شکن و سپس افزایش دما وجود داشته باشد ممکن خواهد بود.

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

در کاربردهای متداول و بویلرهای بخار اشباع، با توجه به وجود حداقل ۵ درصد رطوبت در بخار، عملا تقلیل فشار منجر به خشک تر شدن بخار می گردد و وارد فاز سوپرهیت نخواهد شد.

 

افزایش خشکی بخار با استفاده از شیر کنترل:

-مثال۴ ، ۳ ، ۲:

بخار با ضریب خشکی ۰.۹۵ ازشیر فشارشکن عبور کرده واز فشار ۶ barg به ۱ barg تقلیل فشار می یابد.شرایط بخار بعد از شیر را محاسبه کنید.

از جدول بخاراشباع با فشار۶ barg:

از جدول بخاراشباع با فشار ۱ barg:

آنتالپی کل درفشار۶ barg=

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

آنتالپی کل بخار در فشار۱ barg برابر است با:

از آنجایی که آنتالپی یا انرژی حاصل (۲۶۶۰.۲ Kj/kg) کمتر از آنتالپی کل بخار اشباع در فشار ۱ barg است، بنابراین بخار سوپرهیت نشده و حاوی مقداری رطوبت خواهد بود.

مجددا آنتالپی کل بخار در فشار۱ barg برابر است با:

سوپر هیت ایجاد شده توسط شیر کنترل:

-مثال ۵ ، ۳ ، ۲ :

توسط یک شیر فشار شکن بخاری با ریب خشکی ۰.۹۸ از فشار ۱۰ barg به فشار ۱ barg ، تقلیل فشار داده می شود (شکل۴ ، ۳ ، ۲).درجه سوپرهیت بعد از شیر را محاسبه کنید.

از جدول بخار اشباع با فشار ۱۰ barg :

همانندمثال ۳ ، ۳ ، ۲ آنتالپی کل بخار خشک در فشار ۱ barg برابر ۲ ۷۰۶.۷kj/kg است.

آنتالپی کل بخار خروجی از شیر بیشتر از آنتالپی کل اشباع در فشار۱ barg است وبنابراین نه تنها بخار کاملا خشک خواهد بود، کاملا خشک خواهد بود، بلکه تا حدی سوپرهیت می گردد.

این مقدار انرژی صرف افزایش دمای بخار با فشار۱ barg از دمای اشباع ۱۲۰ ۰c به دمای۱۳۶ ۰c می گردد.(اردیاگرام مولیر۵ ، ۳ ، ۲)

-دیاگرام مولیر:

درجه سوپرهیت

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

نمودار مولیر

شکل۵ ، ۳ ، ۲ نشان دهنده قسمت کوچک وساده شده ای از دیاگرام مولیر است. دیاگرام مولیر نشان دهنده ارتباطات متعدد بین آنتالپی، آنتروپی، دما، فشار وضریب خشکی است.در نظر اول بعلت خطوط زیاد نمودار ممکن است کمی پیچیده بنظر برسد.

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

منحنی بخار اشباع

منحنی بخار اشباع که 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 خشک در فشارهای مختلف است.

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

فرآیند انبساط کامل 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 کامل (مثل شیرفشارشکن) 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 کاهش فشار می باشد ولی تفاوت در نحوه کار است.
مثال های نشان داده شده در شکل ۶ ، ۳ ، ۲ نشان دهنده ویژگی دیاگرام مولیر در آنالیز فرآیند بخار است. استفاده از جداول بخار سوپرهیت نیز روش دیگری جهت محاسبات است.

انبساط کامل آیزنتروپیک

مثال ۶ ، ۳ ، ۲ :

یک فرایند انبساط ثابت بخار از درون توربین را در نظر بگیرید. فشار ورودی ۵۰ bar با دمای ۳۰۰۰ c بوده و فشار خروجی ۰.۰۴ bara می باشد. از آنجائیکه فرایند انبساط ثابت است، آنتروپی ثابت خواهد بود
و شرایط ثانویه با رسم خط عمودی در نمودار مولیر طبق شکل ۷ ، ۳ ، ۲ می باشد. در شرایط اولیه ، آنتروپی تقریبا ۶.۲۵ kj/kg ۰c می باشد و در صورت ادامه خط آنتروپی ثابت، آنتروپی نهائی در فشار ۰.۰۴ bara برابر ۱۸۹۰ kj/kg و ضریب خشکی بخار حدود ۰.۷۲ می گردد.(شکل۷ ، ۳ ، ۲)

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

در شرایط اولیه(۳۰۰۰ c 50 bar a/):

بخار خشک با فشار۰.۰۴ bara:

از آنجائیکه آنتروپی بخار اشباع در فشار ۰.۰۴ bara بیشتر از آنتروپی بخار سوپرهیت در فشار ۵۰ bar a می باشد، یعنی کندانس شدن قسمتی از بخار خشک اشباع جهت حفظ آنتروپی ثابت است. با توجه به ثابت ماندن آنتروپی، شرایط نهائی بترتیب زیر محاسبه می شود:

این جواب تقریبا نزدیک به جواب حاصل از نمودار مولیر است و اختلاف کم 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 تبخیر کامل آب در فشار ثابت، بخار کاملا خشک اشباع حاصل خواهد شد، در عمل بویلر و دیگ های بخار صنعتی امروزی به ندرت قادر به تامین بخار کاملا خشک بوده و بخار حاصل معمولا دارای قطرات آب می باشد.

در حقیقت، به علت تلاطم و آشفتگی داخل دیگ که خود به علت ترکیدن حباب های بخار در سطح آب دیگ است، فضای بالای سطح آب حاوی مخلوطی از بخار و آب است. در دیگ های بخار Fire-Tube که در آنها حرارت آب اعمال شده و بخار در تماس مستقیم با سطح آب است، حدود ۵% آب در بخار خروجی وجود خواهد داشت.

در این صورت گفته می شود که بخار تولیدی ۹۵% خشک بوده و یا دارای ضریب خشکی ۹۵% 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 تبخیر در بخار مرطوب برابر حاصل ضرب ضریب خشکی (x) در آنتالپی تبخیر بخار خشک (hfg) است که از جدول بخار قابل اکتساب است. بنابراین بخار مرطوب دارای انرژی حرارتی کمتری نسبت به بخار اشباع است.

از آنجائیکه حجم آب بسیار کمتر از حجم بخار است، قطرات آب داخل بخار حجم ناچیزی را اشغال می نمایند و بنابراین حجم مخصوص بخار مرطوب نیز کمتر از بخار اشباع است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *