بخار آب
با افزايش دماي آب و رسيدن به دماي جوش، برخي از مولكول ها داراي انرژي جنبشي كافي مي گردند، به طوري كه مي توانند به فضاي بالاي سطح مايع فرار كرده و جدا شوند. افزايش حرارت باعث افزايش تعداد مولكول هاي فراري و سپس تشكيل حباب هاي بخار در داخل مايع مي شود كه در سطح آب مي تركند. با در نظر گرفتن ساختار مولكولي، فاز مايع و بخار و فاصله زياد مولكول ها در فاز بخار، ديده مي شود كه چگالي فاز بخار بسيار كمتر از چگالي آب است، بنابراين فضاي بالاي مايع به سرعت از مولكوله اي با چگالي پايين تر انباشته مي شود.
وقتي تعداد مولكول هائي كه آب را ترك مي نمايند، از مولكول هائي كه دوباره به آن برمي گردند بيشتر شود، آب بصورت آزاد شروع به تبخير مي نمايد. در اين نقطه آب به دماي جوش يا دماي اشباع خود مي رسد ، چرا كه با انرژي حرارتي اشباع شده است. افزايش بيشتر حرارت با ثابت ماندن فشار، باعث تغيير دماي مضاعف نشده و فقط منجر به تشكيل بخار مي گردد.
دماي آب جوش و بخار اشباع در فشار ثابت يكسان بوده، ولي ميزان انرژي واحد جرم در فاز بخار بسيار بيشتر از فاز مايع است. در فشار اتمسفريك دماي اشباع 1000c است.
محلول های ضد رسوب و ضد خوردگی ویژه بویلر
با اين وجود، در صورت افزايش فشار، امكان انتقال در فشار حرارت بيشتر بدون تغيير مايع وجود دارد. بنابراين افزايش فشار باعث آنتالپي مايع و دماي اشباع مي گردد. رابطه بين اشباع و فشار به منحني اشباع بخار معروف است.
آب و بخار در هر فشاري روي منحني فوق بصورت مشترك و در شرايط دماي اشباع وجود دارند. بخاري كه در شرايط دمائي بالاتر از اين منحني قرار دارد به بخار سوپرهیت معروف است.
-مقدار اختلاف دماي بالاتر از دماي اشباع به درجه سوپرهيت معروف است.
-به آب در شرايط زير منحني، آب زير اشباع گفته مي شود.
اگر بخار خروجي از ديگ به ميزان توليدي باشد و بتواند آزادانه جريان يابد، افزايش حرارت باعث افزايش نرخ توليد بخار مي شود، ولي اگر بخار خروجي محدود نگاه داشته شود و همزمان انرژي حرارتي نيز افزوده گردد، انرژي ورودي به ديگ بيشتر از انرژي خروجي شده كه باعث افزايش فشار و بدنبال آن افزايش دماي ديگ مي گردد چرا كه دماي اشباع ارتباط مستقيم با فشار دارد.
-آنتالپي تبخير يا گرماي نهان (hrg)
اين پارامتر مقدار انرژي لازم جهت تغيير فاز آب در حال جوش به بخار مي باشد. در اين فرآيند هيچ گونه افزايش دمايي رخ نداده و تمام انرژي صرف تغيير فاز مي شود. اصطلاح قديمي گرماي نهان بعلت عدم تغيير دما با وجود افزايش انرژي مي باشد، ولي اصطلاح مناسب تر گرماي تبخير است. همانند تغيير فاز يخ به آب، فرآيند تبخير نيز قابل برگشت است. در فرآيند چگالش، ميعان يا كندانس، همان مقدار انرژي كه در توليد بخار صرف شده است به محيط اطراف پس داده مي گردد. اين پديده در هر زمان كه بخار با سطوح سردتري در تماس قرار گيرد، اتفاق مي افتد.
اين مقدار انرژي، انرژي موثر و مفيد بخار در كاربردهاي حرارتي است، زيرا دقيقا ميزاني از انرژي است كه هنگام تبديل بخار به كندانس آزاد مي شود.
-آنتالپي بخار اشباع يا انرژي كل بخار اشباع(hg)
اين پارامتر انرژي كل بخار اشباع بوده و به راحتي از مجموع آنتالپي آب و آنتالپي تبخير به دست مي آيد كه در آن:
آنتالپي (و ديگر خواص) بخار اشباع به راحتي با استفاده از جداول تجربي موجود كه به جداول بخار اشباع معروف است به دست مي آيند.
-جدول بخار اشباع
جدول بخار اشباع، بيان كننده خواص مختلف بخار در فشارهاي متفاوت است. اين اعداد از آزمايشات واقعي منتج شده اند.
بخار در شرايط اتمسفريك داراي موارد استفاده محدود مي باشد زيرا نمي تواند در طول لوله به سمت نقطه مصرف حركت نمايد.
توجه : با دقت در نسبت فشار و حجم بخار اشباع ديده مي شود كه با افزايش، حجم مخصوص كاسته مي گردد. به همين علت مناسب است كه بخار با فشار حداقل 7bar درون ديگ توليد گردد. توليد بخار در فشار نسبتا بالا موجب حفظ قطر لوله ها و شيرآلات در اندازه هاي معقول مي گردد.
شكل زیر نشان دهنده رابطه حجم مخصوص و فشار مي باشد. ديده مي شود كه تغييرات زياد حجم مخصوص در فشارهاي پايين تر اتفاق مي افتد و در فشارهاي بالاتر (مثلا بالاتر از 7bar) تغييرات حجم مخصوص كمتر مي باشد.
.
با دقت در جداول بخار مي توان حجم مخصوص و بقيه خواص بخار اشباع را مشاهده نمود. در فشار bar ، دماي اشباع آب 170 0c مي باشد. همانطور كه ديده مي شود، آنتالپي آب در اين فشار برابر 721 Kj/kg مي باشد، كه بيشتر از آنتالپي آب در فشار اتمسفريك (419 Kj/kg ) است. در مقابل انرژي حرارتي مورد نياز جهت تبخير آب در فشار 7bar كمتر از اين انرژي در فشار اتمسفريك است و نشان دهنده كاهش آنتالپي مخصوص تبخير با افزايش فشار مي باشد. با اين حال، از آنجائيكه حجم مخصوص تبخير با افزايش فشار مي باشد. با اين حال، از آنجائيكه حجم مخصوص نيز با افزايش فشار كاهش مي يابد، مقدار انرژي حرارتي قابل حمل توسط حجم ثابتي از بخار با افزايش فشار زيادتر مي شود.
–بخار فلاش چیست؟
بخار فلاش معمولا در بخار آزاد شده از ونت تانك ها و مخازن كندانس و يا خطوط كندانس خروجي از تله هاي بخار به چشم مي خورد.
اين نوع بخار بدون افزايش حرارت به آب و مستقيما در اثر تقليل فشار آب از فشار بالاتر به پايين تر تشكيل مي گردد (در واقع درصدي از آب به بخار تبديل مي شود)
يك كيلوگرم كندانس در فشار 5barg و دماي اشباع 1590c را در نظر بگيريد كه از طريق يك تله بخار به اتمسفر يا فشار 0barg تخليه مي شود. مقدار انرژي موجود در يك كيلوگرم كندانس ورودي برابر 671KJ مي باشد(hr). اين مقدار انرژي طبق قانون اول ترموديناميك، برابر مقدار انرژي در قسمت ورودي و خروجي تله بخار (فشار بالا و پايين) ثابت است.
.
بنابراين مقدار انرژي آب خروجي تله نيز 671KJ خواهد بود.
با نگاه به جدول بخار، مقدار انرژي قابل ذخيره در آب با فشار 0barg برابر 419 Kj است و بنابراين مقدار انرژي 671-419=252 kj در خروجي مازاد خواهد بود كه نمي تواند بصورت آب وجود داشته باشد.
اين مقدار انرژي مقداري از كندانس خروجي را تبخير مي نمايد كه به بخار فلاش معروف است و از اين فرآيند با جوشش آب يا فلاشينگ نام برده مي شود.
در واقع ميزان بخار فلاش توليدي برابر با نسبت مازاد بر انرژي تبخير فشار ثانويه مي باشد.
بخار سوپرهيت بطور علمی چيست؟
در صورت تماس بخار اشباع توليد شده در ديگ با سطوح دماي بالاتر ، دماي بخار به بالاتر از دماي تبخير افزايش خواهد يافت.
به اين بخار، بخار سوپرهيت گفته شده و به تفاوت دماي بخار اشباع ودماي افزايش ياقته بخار درجه سوپرهيت اتلاق مي گردد.
سوپرهيت نمودن بخار در صورت وجود آب درون بخار ممكن نبوده و افزايش حرارت موجب تبخير قطرات آب خواهد شد. بمنظور گرمايش مجدد ، بخار اشباع بايد از درون يك مبدل حرارتي عبور نمايد. اين مبدل مي تواند قسمت ثانويه اي در داخل بويلر بوده و يا بصورت سوپرهيت جداگانه باشد. سيال گرم كن نيز مي تواند گازهاي داغ خروجي مشعل بوده و يا اينكه مشعل جداگانه اي تعبيه شود.
.
بخار سوپرهيت در كاربردهاي خاصي استفاده مي شود ، بعنوان مثال در توربين هاي بخار از بخار سوپرهيت جهت عبور از نازل ها و هدايت به سمت رتور استفاده شده كه منجر به چرخش رتور مي شود. از آنجائيكه انرژي لازم فقط از طريق بخار تامين مي شود ، بنابراين بخار خروجي از رتور داراي انرژي كمتري خواهد بود.
در صورتيكه بخار در دماي اشباع باشد ، اين كاهش انرژي منجر به كندانس قسمتي از بخار مي شود.
توربين ها داراي طبقات مختلفي هستند، بخار خروجي از اولين قسمت به سمت محور رتور دوم هدايت مي شود در واقع با هدايت بخار در طول طبقات توربين، رطوبت آن افزايش پيدا خواهد نمود. اين شرايط نه تنها باعث ايجاد ضربه چكش خواهد شد، بلكه قطرات آب موجب خوردگي شديد پره هاي توربين مي گردند. راه حل جلوگيري از اين مشكلات، استفاده از بخار سوپر هيت در ورودي توربين و استفاده از انرژي آن جهت چرخش رتور بوده كه در نهايت بصورت بخار تقريبا اشباع از توربين خارج مي شود.
علت ديگر استفاده از بخار سوپرهيت در توربين هاي بخار، افزايش راندمان حرارتي مي باشد.
بازده ترموديناميكي يك موتور حرارتي نظير توربين، توسط دو تئوري زير قابل محاسبه است:
-سيكل كارنو كه در آن تغييرات دماي بخار خروجي و ورودي با دماي ورودي مقايسه مي شود.
-سيكل رانكين كه در آن تغييرات انرژي حرارتي بخار ورودي و خروجي با كل انرژي ورودي مقايسه مي شود.
