بخار آب

با افزایش دمای آب و رسیدن به دمای جوش، برخی از مولکول ها دارای انرژی جنبشی کافی می گردند، به طوری که می توانند به فضای بالای سطح مایع فرار کرده و جدا شوند. افزایش حرارت باعث افزایش تعداد مولکول های فرار و سپس تشکیل حباب های بخار در داخل مایع می شود که در سطح آب می ترکند. با در نظر گرفتن ساختار مولکولی، فاز مایع و بخار و فاصله زیاد مولکول ها در فاز بخار، دیده می شود که چگالی فاز بخار بسیار کمتر از چگالی آب است، بنابراین فضای بالای مایع به سرعت از مولکوله ای با چگالی پایین تر انباشته می شود.

وقتی تعداد مولکول هایی که آب را ترک می نمایند، از مولکول هایی که دوباره به آن بر می گردند بیشتر شود، آب بصورت آزاد شروع به تبخیر می نماید. در این نقطه آب به دمای جوش یا دمای اشباع خود می رسد، چرا که با انرژی حرارتی اشباع شده است. افزایش بیشتر حرارت با ثابت ماندن فشار، باعث تغییر دمای مضاعف نشده و فقط منجر به تشکیل بخار می گردد.

دمای آب جوش و بخار اشباع در فشار ثابت یکسان بوده، ولی میزان انرژی واحد جرم در فاز بخار بسیار بیشتر از فاز مایع است. در فشار اتمسفریک دمای اشباع 1000c  است.

با این وجود، در صورت افزایش فشار، امکان انتقال در فشار حرارت بیشتر بدون تغییر مایع وجود دارد. بنابراین افزایش فشار باعث آنتالپی مایع و دمای اشباع می گردد. رابطه بین اشباع و فشار به منحنی اشباع بخار معروف است.

بخار سوپرهیت

آب و بخار در هر فشاری روی منحنی فوق بصورت مشترک و در شرایط دمای اشباع وجود دارند. بخاری که در شرایط دمایی بالاتر از این منحنی قرار دارد به بخار سوپرهیت معروف است.

درجه سوپرهیت : مقدار اختلاف دمای بالاتر از دمای اشباع به درجه سوپرهیت معروف است.

آب زیر اشباع : به آب در شرایط زیر منحنی، آب زیر اشباع گفته می شود.

اگر بخار خروجی از دیگ به میزان تولیدی باشد و بتواند آزادانه جریان یابد، افزایش حرارت باعث افزایش نرخ تولید بخار می شود، ولی اگر بخار خروجی محدود نگاه داشته شود و همزمان انرژی حرارتی نیز افزوده گردد، انرژی ورودی به دیگ بیشتر از انرژی خروجی شده که باعث افزایش فشار و بدنبال آن افزایش دمای دیگ می گردد چرا که دمای اشباع ارتباط مستقیم با فشار دارد.

آنتالپی تبخیر یا گرمای نهان (hrg)

این پارامتر مقدار انرژی لازم جهت تغییر فاز آب در حال جوش به بخار می باشد. در این فرآیند هیچ گونه افزایش دمایی رخ نداده و تمام انرژی صرف تغییر فاز می شود. اصطلاح قدیمی گرمای نهان بعلت عدم تغییر دما با وجود افزایش انرژی می باشد، ولی اصطلاح مناسب تر گرمای تبخیر است. همانند تغییر فاز یخ به آب، فرآیند تبخیر نیز قابل برگشت است. در فرآیند چگالش، میعان یا کندانس، همان مقدار انرژی که در تولید بخار صرف شده است به محیط اطراف پس داده می شود. این پدیده در هر زمان که بخار با سطوح سردتری در تماس قرار گیرد، اتفاق می افتد.

این مقدار انرژی، انرژی موثر و مفید بخار در کاربردهای حرارتی است، زیرا دقیقا میزانی از انرژی است که هنگام تبدیل بخار به کندانس آزاد می شود.

آنتالپی بخار اشباع یا انرژی کل بخار اشباع (hg)

این پارامتر انرژی کل بخار اشباع بوده و به راحتی از مجموع آنتالپی آب و آنتالپی تبخیر به دست می آید که در آن آنتالپی (و دیگر خواص) بخار اشباع به راحتی با استفاده از جداول تجربی موجود که به جداول بخار اشباع معروف است به دست می آیند.

جدول بخار اشباع

جدول بخار اشباع، بیان کننده خواص مختلف بخار در فشارهای متفاوت است. این اعداد از آزمایشات واقعی منتج شده اند.

بخار در شرایط اتمسفریک دارای موارد استفاده محدود می باشد زیرا نمی تواند در طول لوله به سمت نقطه مصرف حرکت نماید.

توجه : با دقت در نسبت فشار و حجم بخار اشباع دیده می شود که با افزایش، حجم مخصوص کاسته می گردد. به همین علت مناسب است که بخار با فشار حداقل 7bar  درون دیگ تولید گردد. تولید بخار در فشار نسبتا بالا موجب حفظ قطر لوله ها و شیرآلات در اندازه های معقول می گردد.

با دقت در جداول بخار می توان حجم مخصوص و بقیه خواص بخار اشباع را مشاهده نمود. در فشار bar، دمای اشباع آب 170 0c می باشد. همانطور که دیده می شود، آنتالپی آب در این فشار برابر 721 Kj/kg  می باشد، که بیشتر از آنتالپی آب در فشار اتمسفریک (419 Kj/kg ) است. در مقابل انرژی حرارتی مورد نیاز جهت تبخیر آب در فشار 7bar  کمتر از این انرژی در فشار اتمسفریک است و نشان دهنده کاهش آنتالپی مخصوص تبخیر با افزایش فشار می باشد. با این حال، از آنجایی که حجم مخصوص تبخیر با افزایش فشار می باشد. با این حال، از آنجایی که حجم مخصوص نیز با افزایش فشار کاهش می یابد، مقدار انرژی حرارتی قابل حمل توسط حجم ثابتی از بخار با افزایش فشار زیادتر می شود.

بخار فلاش چیست؟

بخار فلاش معمولا در بخار آزاد شده از ونت تانک ها و مخازن کندانس و یا خطوط کندانس خروجی از تله های بخار به چشم می خورد.

این نوع بخار بدون افزایش حرارت به آب و مستقیما در اثر تقلیل فشار آب از فشار بالاتر به پایین تر تشکیل می گردد (در واقع درصدی از آب به بخار تبدیل می شود)

یک کیلوگرم کندانس در فشار 5barg  و دمای اشباع 1590c  را در نظر بگیرید که از طریق یک تله بخار به اتمسفر یا فشار 0barg  تخلیه می شود. مقدار انرژی موجود در یک کیلوگرم کندانس ورودی برابر 671KJ  می باشد(hr).  این مقدار انرژی طبق قانون اول ترمودینامیک، برابر مقدار انرژی در قسمت ورودی و خروجی تله بخار (فشار بالا و پایین) ثابت است.

بنابراین مقدار انرژی آب خروجی تله نیز 671KJ  خواهد بود.

با نگاه به جدول بخار، مقدار انرژی قابل ذخیره در آب با فشار 0barg  برابر 419 Kj است و بنابراین مقدار انرژی 671-419=252 kj در خروجی مازاد خواهد بود که نمی تواند بصورت آب وجود داشته باشد.

این مقدار انرژی مقداری از کندانس خروجی را تبخیر می نماید که به بخار فلاش معروف است و از این فرآیند با جوشش آب یا فلاشینگ نام برده می شود.

در واقع میزان بخار فلاش تولیدی برابر با نسبت مازاد بر انرژی تبخیر فشار ثانویه می باشد.

بخار سوپرهیت بطور علمی چیست؟

در صورت تماس بخار اشباع تولید شده در دیگ 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 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 آنجایی که انرژی لازم فقط از طریق بخار تامین می شود، بنابراین بخار خروجی از رتور دارای انرژی کمتری خواهد بود.

در صورتیکه 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.

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.