بررسی كيفيت بخار

جولای 3, 2013

كيفيت بخاری كه در اختیار تجهیزات مصرف كننده قرار می گیرد، باید دارای شرایط و ویژگی هائی خاص باشد:

به مقدار كافی و درست تامین شود.
در درجه حرارت و فشار مناسب باشد.
فاقد هوا و گازهای غیر قابل كندانس باشد.
تمیز و پاكیزه باشد.
حتی المقدور خشك باشد.

در ادامه به تشریح ویژگی های موثر در تعیین کیفیت بخار می پردازیم.

1. مقدار صحیح بخار

جریان كامل بخار جهت هر مبدل یا فرآیند حرارتی باید بطور كامل و در مقدار مناسب تامین شود تا حرارت كافی انتقال داده شود. جریان بخار بیش از اندازه، احتمالا موجب جوشش و یا صدمه به تولید شده و جریان بخار كم نیز از كیفیت آن خواهد كاست. بدین منظور، دبی بخار باید بطور صحیح محاسبه شده و لوله ها بدرستی اندازه گذاری شوند.

2. فشار و دمای مناسب بخار

بخار باید در دما و فشار صحیح به مصرف كننده ها رسانده شود. بدین منظور نیز اندازه گذاری صحیح لوله ها و شیرآلات ضروری است. نكته مهم این است كه با وجود ارتباط مستقیم فشار و دما در بخار اشباع، حتی در صورت قرائت مقدار صحیح فشار، ممكن است دمای مورد نظر بعلت وجود هوا و یا گازهای غیرقابل تقطیر تامین نگردد.

3. هوا و گازهای غیر قابل تقطیر

در هنگام راه اندازی سیستم لوله ها و تجهیزات پر از هوا هستند. حتی در صورتی كه قبل از خاموشی سیستم، كل مجموعه پر از بخار باشد بعلت سرد شدن لوله ها و تشكیل كندانس، خلاء نسبی ایجاد شده و هوا بداخل لوله ها وارد خواهد شد.

ورود بخار به داخل سیستم، هوا را به طرف نقاط تخلیه و یا دورترین نقطه نسبت به ورودی خواهد راند و بنابراین تله های بخار مورد استفاده در نقاط تخلیه باید قابلیت تخلیه هوای مناسب را داشته باشند و در انتهای مسیرهای بخار نیز از شیر اتوماتیك هواگیر استفاده گردد.

در عین حال، در صورت وجود توربولانس، مخلوطی از بخار و هوا به سمت سطوح انتقال حرارت حركت می نمایند. با كندانس شدن بخار، لایه ای از هوا در پشت سطوح باقی مانده كه بعنوان مانعی در برابر انتقال حرارت عمل می نماید.

شكل1 : تجهیزات فرآیندی بخار با نصب شیر هواگیر و صافی

اهمیت کیفیت بخار

زمانی که حباب‌های بخار در یک بویلر تشکیل می‌شوند، بر سطح آب شناور شده، فروپاشیده و بخار را آزاد می‌سازند. با فروپاشی هزاران عدد از این حباب‌ها، افشانه‌های میکروسکوپیک قطرات به داخل فضای باز بالای آب پرتاب می‌شوند.

اثری مشابه را می‌توان با قرار دادن دست بر سطح بالای یک لیوان نوشیدنی گازدار تازه ریخته شده مشاهده نمود. در این شرایط، حباب‌های دی اکسید کربن فرو پاشیده و قطرات آب را بر روی دست شما اسپری می‌کنند.

در یک بویلر، همانند لیوان حاوی نوشیدنی گازدار، افشانه‌های متمرکز لایه‌ای از کف را در سطح آب ایجاد می‌نمایند. این لایه کف می‌تواند دارای اندازه‌های متفاوتی باشد و تأثیری شدید نیز بر کیفیت بخار خواهد گذاشت. یک لایه ضخیم کف احتمال معلق شدن آب در بخار را افزایش داده و کیفیت بخار پایینی را به دنبال خواهد داشت.

کشیده شدن آب بویلر به داخل بخار شرایطی است که عموماً از آن با نام «انتقال» یاد می‌شود. بطور مشابه، بخار موجود در لوله کشی‌ها که در تماس با سطوح سرد قرار می‌گیرد، چگالیده شده و در کف سیستم لوله‌کشی جمع می‌شود.

جریان آشفته در خطوط بخار می‌تواند قسمتی از این آب چگالیده را به داخل خود بکشاند. باید در نظر داشت که حتی وجود مقدار کمی آب معلق در بخار نیز نامطلوب خواهد بود.

مخلوط بخار و هوا

وجود هوا در بخار موجب كاهش درجه حرارت می گردد. فشار كلی مخلوطی از گازها، برابر با فشار جزئی تك تك گازهای تشكیل دهنده مخلوط می باشد. این اصل به قانون دالتون معروف است:

توجه: معادله فوق، معادله ترمودینامیكی بوده و با bar a نشان داده می شود.

مثال 1 : مخلوطی از بخار و هوا با فشار 4 bara و نسبت حجمی 3/4 بخار و 4/1 هوا را در نظر بگیرید و دمای مخلوط را محاسبه نمائید:

بنابراین در واقع بخار دارای فشار موثر 3 bara می باشد و به جای دمای اشباع ⁰ c 144 در فشار 4 bara دارای دمای⁰ c 134 خواهد بود.

این پدیده نه تنها در مبدل های حرارتی حائز اهمیت است (محلی كه آهنگ انتقال حرارت با اختلاف دما افزایش می یابد) بلكه در فرآیندهای صنعتی كه به حداقل دمای لازم جهت تغییر شیمیایی یا فیزیكی در فرآیند نیاز است نیز مهم می باشد.

بطور مثال بمنظور از بین بردن باكتری ها در تجهیزات استرلیزه كننده، حداقل دمای خاصی مورد نیاز است.

کیفیت بخار را چگونه اندازه گیری کنیم؟

برای این منظور به دستگاه کالری متر و کنتورهای دقیق بخار نیاز است که با توجه به فشار و حجم و انرژی موجود در بخار کیفیت آن را مورد محاسبه قرار داد.

اما از آنجایی که در اکثر دیگ خانه ها چنین تجهیزاتی وجود ندارد می توان با یک تست ساده کیفیت بخار موجود را مشاهده نمود. بخار اشباع کاملا بی رنگ است و صرفا وجود اب و هوا در آن موجب دیده شدن آن می شود.

برای مثال در یک کتری در حال جوشیدن بخار خروجی از کتری در ابتدا قابل رویت نیست و در فاصله چند سانتی متری که بخشی از بخار کندانس می شود وجود آب در بخار باعث دیده شدن آن می شود.

حال همین آزمایش را می توان با بخار صنعتی انجام داد. چنانچه لوله بخار را مستقیما به اتمسفر باز کنیم در ابتدای خروجی از لوله می بایست بخار نامرئی یا به اصطلاح DRY INVISIBLE STEAM وجود داشته باشد و پس از طی مسافتی رنگ سفید به خود بگیرد. (در اثر کندانس شدن بخار) حال چنانچه بخار خروجی از همان ابتدا دارای رنگ سفید باشد کیفیت بخار مطلوب نیست.

این روش صرفا تجربی است و به کمک آن نمی توان درصد خشکی بخار را محاسبه نمود.

منابع دیگر نفوذ هوا بداخل سیستم بخار و كندانس

آب تغذیه ورودی دیگ می تواند حاوی مقادیری از هوای محلول باشد. آب تغذیه و كندانس وقتی در تماس با اتمسفر قرار گیرند بسرعت اكسیژن، نیتروژن و دی اكسیدكربن را جذب می نمایند. كه اجزا اصلی هوا هستند وقتی آب در داخل بویلر شروع به گرم شدن می كند، هوا به همراه بخار آزاد وارد سیستم توزیع بخار می گردد.

هوای اتمسفریك دارای حجم 78% نیتروژن، 21% اكسیژن و 0.03% دی اكسیدكربن می باشد. با این حال، قابلیت انحلال اكسیژن حدود دو برابر نیتروژن بوده و نیز دی اكسید كربن انحلال بیشتر از 30 برابر اكسیژن را دارا است.

این بدان معنی است كه هوای محلول در آب تغذیه دیگ بخار شامل مقادیر زیادتری از اكسیژن و دمای تانك تغذیه معمولا در دمای بالاتر از ⁰ c 80 نگاه داشته می شود و بنابراین درصدی از اكسیژن و دی اكسید كربن جدا شده و به اتمسفر برمی گردد، چرا كه قابلیت انحلال گازهای نامحلول با افزایش دما كاهش می یابد.

غلظت گازهای نامحلول در آب را می توان با استفاده از قانون هنری تعیین نمود این قانون بیان می نماید كه جرم گازهای قابل انحلال در حجم مشخصی از مایع، ارتباط مستقیم به فشار جزئی گاز دارد. (البته در صورتی كه دما ثابت بوده و واكنش شیمیائی بین مایع و گاز رخ ندهد).

4. پاكیزه بودن بخار

لایه های رسوب در دیواره داخلی لوله ها ممكن است بعلت زنگ زدگی در سیستم های فرسوده یا رسوب كربناتی در اثر آب سنگین و سخت منطقه باشد.

انواع دیگر ناخالصی كه در سیستم های بخار بچشم می خورد، شامل براده های جوشكاری و یا خرده های ناشی از ابزارزنی شیر آلات و اتصالات است كه هنگام نصب سیستم در لوله به جا مانده است.

این قبیل ناخالصی ها موجب افزایش آهنگ خوردگی، خصوصا در زانوئی ها و همچنین انسداد و گرفتگی در شیرهای كنترل و تله های بخار می گردد. به همین علت نصب صافی ( شكل 2) قبل از هر تله بخار، جریان سنج، شیر كنترل و یا شیر تقلیل فشار ضروری است.

شكل 2: صافی بخار

جریان ورودی بخار از قسمت A بداخل صفحه مشبك B و سپس خروجی C می باشد، آب و بخار از داخل صفحه توری عبور كرده و ذرات خارجی در صافی گیر خواهند نمود.

كلاهك D قابل برداشتن بوده كه اجازه بیرون آوردن توری، تمیز كردن و یا تعویض احتمالی را بدست می دهد.

هنگام نصب صافی در خط بخار باید توجه داشت كه قسمت توری صافی را بصورت افقی نصب نمود تا از جمع شدن كندانس و احتمال ضربه چكش جلوگیری شود.

همچنین در این نحوه قرارگیری، سطح بیشتر صافی با جریان در تماس قرار خواهد گرفت و لایه رسوب در روی سطوح انتقال حرارت نیز بعنوان عایقی در برابر انتقال حرارت عمل می نماید.

این رسوب ها معمولا در اثر عواملی مانند موارد زیر است:

– عملكرد نادرست بویلر كه منجر به ورود قطرات آب و ناخالصی ها به سیستم بخار می گردد.

– سختی گیری نامناسب آب ورودی به دیگ بخار .

آهنگ تشكیل رسوب ها می تواند با مراقبت دقیق از نحوه كار دیگ و نیز تخلیه قطرات رطوبت در بخار خروجی از دیگ كاهش یابد.

5. خشكی بخار

در صورت عدم انجام عملیات شیمیایی مناسب در آب ورودی به بویلر و نیز در مواقع حداكثر مصرف بخار، آب دیگ بالا آمده و قطرات آب را بداخل سیستم بخار وارد خواهد كرد.

همچنین ذرات دیگر نظیر كف و مواد شیمیائی داخل آب دیگ نیز بداخل بخار خروجی رسوخ نموده و با تجمع در لوله ها و تجهیزات مصرف كننده منجر به كاهش راندمان كلی می گردند.

همچنین در اثر انتقال حرارت لوله های بخار با محیط بیرون، مقداری از بخار به كندانس تبدیل می گردد (حتی در صورت عایق كاری كامل) و نتیجه كلی مرطوب شدن بخار در سیستم توزیع است.

وجود قطرات آب در سیستم بخار موجب كاهش آنتالپی واقعی تبخیر شده و از طرفی به تشكیل رسوب در جداره لوله ها و سطوح انتقال حرارت كمك خواهد نمود.

ذرات آب ورودی با بخار، مقاومت حرارتی لایه كندانس در سطوح انتقال حرارت را افزایش داده و مانع دیگری را در برابر انتقال حرارت تشكیل می دهند.

نصب سپریتور یا جداكننده بخار موجب تفكیك هر گونه رطوبت در بخار ورودی و یا كندانس در زیر سطح لوله خواهد شد. در سپریتور شكل 3 بخار ورودی چندین بار از مسیرهای داخلی تغییر جهت می دهد.

پره های نصب شده بعنوان مانع در برابر ذرات سنگین تر آب محسوب شده و بخار خشك و سبك آزادانه مسیر خود را از داخل سپریتور ادامه می دهد. قطرات آب جدا شده بطرف پائین سپریتور جریان پیدا نموده و از طریق تله بخار تخلیه می شوند كه تخلیه كندانس از سیستم بدون اجازه عبور بخار را مقدور می سازد.

شكل 3: سپریتور بخار

ضربه چكش

در اثر انتقال حرارت لوله های بخار با محیط بیرون، كندانس بشكل قطرات آب در جداره داخلی لوله تشكیل شده كه در نهایت به شكل ورقه ای از آب در زیر لوله منجر می شود.

عدم تخلیه آب در زیر لوله می تواند منجر به توده و موجی از آب شود كه با سرعت بخار (25-30M/s) در طول لوله حركت می نماید. این حجم از آب دارای چگالی بالا و غیرقابل تراكم است و با توجه به سرعت زیاد از انرژی جنبشی زیادی برخوردار است.

طبق قانون اول ترمودینامیك انرژی ایجاد نشده و از بین نمی رود و فقط از حالتی به حالت دیگر عوض می شود.

در صورت وجود یك مانع در مسیر بخار، مثل زانوئی یا شیر كنترل، انرژی جنبشی آب به فشار تبدیل شده كه شوك شدیدی را وارد می نماید.

شكل 4 : ایجاد توده آب درون لوله بخار

همچنین تشكیل كندانس در نقاط پایین سیستم (مانند لوله های اصلی انحنادار به سمت پایین در اثر ساپورت نامناسب) و حركت آن با بخار مجددا معضل ضربه چكش را بوجود خواهد آورد. استفاده از تبدیل های همگرا و یا صافی های با جهت توری عمودی نیز می توانند این مسئله را ایجاد نمایند.

صدا و ارتعاش ایجاد شده در اثر ضربه بین توده آب و مانع به ضربه قوچ یا ضربه چكش معروف است. این ضربه می تواند عمر تجهیزات را بطور جدی كاهش دهد و در موارد شدید ممكن است باعث شكست لوله ها و شیرآلات گردد. عواقب بعدی نشت بخار و ایجاد خطرات جانی و مالی است.

در مورد چگونگی نصب لوله ها شیر آلات گردد. عواقب بعدی نشست بخار و ایجاد خطرات جانی و مالی است. در مورد چگونگی نصب لوله ها شیرآلات در فصل های بعدی به تفصیل صحبت خواهد شد.