انواع بخار:
بخار خشک در مقابل بخار مرطوب
در صنایعی که از بخار استفاده می کنند، دو نوع بخار معمولاً بخار خشک که بخار اشباع شده هم می نامند و دیگری بخار مرطوب وجود دارد.
در این مقاله به معرفی انواع بخار اشباع، خلاء، فوق داغ، فوق بحرانی و تمیز می پردازیم. همچنین کاربرد هر مورد از انواع بخار نیز مورد بررسی قرار گرفته است:
بخار غیر اشباع (بخار مرطوب)
این رایج ترین شکل بخار است که در واقع توسط اکثر دستگاه ها تجربه می شود. هنگامی که بخار با استفاده از دیگ بخار تولید می شود، معمولاً حاوی رطوبت مولکول های آب غیر تبخیر شده است که به بخار توزیع شده منتقل می شود.
حتی بهترین دیگ‌ها ممکن است بخار حاوی 3 تا 5 درصد رطوبت را تخلیه کنند. همانطور که آب به حالت اشباع نزدیک می شود و شروع به تبخیر می کند، مقداری آب، معمولاً به صورت غبار یا قطرات، در بخار بالا رفته حباب شده و در پایین دست توزیع می شود.
این یکی از دلایل اصلی استفاده از جداسازی برای خارج کردن میعانات از بخار توزیع شده است.
بخار مرطوب زمانی به بخار گفته میشود که بخشی از مولکول‌های آب آن انرژی خود (گرمای نهان) را از دست داده و متراکم میشوند و قطرات ریز آب را تشکیل می‌دهند.
به عنوان مثال یک کتری آب جوش را در نظر بگیرید. آب ابتدا با استفاده از یک عنصر گرم می شود. همانطور که آب گرمای بیشتری را از عنصر جذب می کند، مولکول های آن بیشتر هم زده می شوند و شروع به جوشیدن می کند.
هنگامی که انرژی کافی جذب می شود، بخشی از آب تبخیر می شود که می تواند نشان دهنده افزایش 1600 برابری در حجم مولکولی باشد.
گاهی اوقات می توان غباری را دید که از دهانه کتری بیرون می آید. این مه نمونه ای از این است که چگونه بخار خشک وقتی در اتمسفر سردتر آزاد می شود، مقداری از انرژی خود را با انتقال به هوای محیط از دست می دهد.
اگر انرژی کافی از دست برود تا پیوندهای بین مولکولی دوباره تشکیل شوند، قطرات ریز معلق در هوا دیده می شوند. این مخلوط آب در حالت مایع (قطرات ریز) و حالت گازی(بخار) بخار مرطوب نامیده می شود.
بخار اشباع (بخار خشک)
بخار اشباع، ایجاد حرارت غیرمستقیم
بخار خشک (اشباع) زمانی به بخار گفته می شود که تمام مولکول های آب آن در حالت گاز باقی بماند که گازی شفاف است.
بخار اشباع در دماها و فشارهایی رخ می دهد که بخار (گاز) و آب (مایع) می توانند همزمان وجود داشته باشند. به عبارت دیگر، زمانی اتفاق می افتد که میزان تبخیر آب برابر با میزان تراکم باشد.
بخار اشباع (خشک) زمانی حاصل می شود که آب تا نقطه جوش گرم می شود (گرمای محسوس) و سپس با حرارت اضافی تبخیر می شود (گرمای نهان).
اگر این بخار بیشتر از نقطه اشباع گرم شود، به بخار فوق گرم تبدیل می شود (گرمایش محسوس).
بخار اشباع شده بخاریست که کاملا خشک است و دمایی مشابه با آب جوش دارد. وقتی آب شروع به گرم شدن می کند، دمای آن تا زمانیکه به نقطه جوش برسد بالا می رود.
اگر حرارت بیشتری به آن اعمال شود آب به بخار تبدیل می شود. این بخار که هم دما با آب در حال جوش است، بخار اشباع نامیده می شود.
اگر در این بخار هیچ قطره آبی وجود نداشته باشد، به آن بخار اشباع خشک گفته می شود.
مطلب پیشنهادی: آموزش مهندسی بخار
مزایای استفاده از بخار اشباع برای گرمایش
بخار اشباع دارای خواص زیادی است که آن را به یک منبع گرمای عالی تبدیل می کند، به ویژه در دماهای 100 درجه سانتی گراد (212 درجه فارنهایت) و بالاتر.
مولکول های بخار اشباع شده نامرئی هستند. هنگامی بخار اشباع شده به اتمسفر آزاد می شود که از لوله ها خارج می شود، بخشی از آن با انتقال گرمای خود به هوای اطراف متراکم می شود و ابرهایی از بخار سفید (قطرات کوچک آب) تشکیل می شود.
هنگامی که بخار شامل این قطرات ریز باشد، بخار مرطوب نامیده می شود.
در یک سیستم بخار، بخار آزاد شده از تله های بخار اغلب به اشتباه به بخار اشباع (زنده) تعبیر می شود، در حالی که در واقع بخار فلاش است.
تفاوت بین این دو در این است که بخار اشباع بلافاصله در خروجی لوله نامرئی است در حالی که بخار فلاش حاوی قطرات آب قابل مشاهده ای است که در همان لحظه تشکیل می شود.
برخی از این موارد عبارتند از:
| مزیت – فایده – سود – منفعت |
ویژگی |
| بهبود کیفیت و بهره وری محصول |
گرمایش سریع و یکنواخت از طریق انتقال حرارت پنهان |
| دما را می توان به سرعت و با دقت تعیین کرد |
فشار می تواند دما را کنترل کند |
| مساحت سطح انتقال حرارت مورد نیاز کوچکتر، باعث کاهش هزینه اولیه تجهیزات می شود |
ضریب انتقال حرارت بالا |
| ایمن، تمیز و کم هزینه |
از آب سرچشمه می گیرد |
نکات:
با بیان این مطلب، هنگام گرم کردن با بخار اشباع، باید به نکات زیر توجه داشت:
- اگر از بخاری غیر از بخار خشک برای گرمایش فرآیند استفاده شود، راندمان گرمایش ممکن است کاهش یابد. برخلاف تصور رایج، تقریباً تمام بخار تولید شده از یک دیگ بخار اشباع خشک نیست، بلکه بخار مرطوب است که حاوی برخی مولکول‌های آب غیر تبخیر شده است.
- اتلاف حرارت تابشی باعث متراکم شدن مقداری از بخار می شود. بنابراین بخار مرطوب تولید شده حتی مرطوب تر می شود و میعانات نیز تشکیل می شود که باید با نصب تله های بخار در مکان های مناسب حذف شود.
- میعانات سنگینی که از جریان بخار خارج می شود را می توان از طریق تله های بخار قطره ای خارج کرد. با این حال، بخار مرطوب حباب شده راندمان گرمایش را کاهش می دهد و باید از طریق ایستگاه های جداسازی نقطه مصرف یا توزیع حذف شود.
- بخاری که به دلیل اصطکاک لوله‌ها و غیره دچار افت فشار میشود، ممکن است منجر به کاهش دمای بخار شود.
بخار خلاء
بخار خلاء، بخاری با درجه حرارت تحت کنترل
همانطور که می دانید، بخار اشباع همیشه در فشار خاص و مشخصی از آب خارج می شود. بخار اشباع تقریبا در دمای 100 درجه سانتیگراد ایجاد می شود.
با افزایش فشار، نقطه جوش آب نیز افزایش می یابد در نتیجه دمای اشباع نیز افزایش می یابد.
اگر به جای افزایش فشار، آن را کاهش دهیم چه اتفاقی برای دمای بخار اشباع می افتد؟ پاسخ منطقی این است که دمای بخار اشباع کاهش می یابد.
این بخار که در فشار کمتر از اتمسفر ( شرایط خلاء ) ایجاد شده است بخار خلاء نامیده می شود.
دمای این بخار زیر 100 درجه سانتیگراد است.به عنوان مثال اگر نیاز به به مایع حرارتی بین 30 تا 80 درجه سانتیگراد اعمال شود می توان از آب داغ یا بخار اشباع استفاده کرد.
استفاده از بخار خلاء هزینه بر است زیرا برای ایجاد خلاء به پمپ خلاء نیاز است.
مطلب پیشنهادی: عوامل تاثیرگذار در کیفیت و قیمت دیگ بخار استاندارد، کیفیت بخار و اهمیت آن در سیستم های بخار
از طرف دیگر، در حرارت با آب، دمای آب به تدریج کاسته می شود. در نتیجه به برای حفظ دمای مطلوب به محفظه حرارت بزرگ تری نیاز است.
در حالت بخار خلاء، ضریب انتقال حرارت بالا است و به محفظه حرارت کوچکتری نیاز است. زمانیکه بخار خلاء، مایع را بوسیله حرارت نهفته خود گرم می کند، گرمایش در دمای یکسان اتفاق میوفتد.
بخار فوق داغ
بخار فوق داغ، بخاری برای تولید قدرت و انرژی
اگر بخار اشباع بیش از حد گرم شود، حرارتش از نقطه جوش بالاتر می رود. به این نوع بخار که درجه حرارتش بالاتر از نقطه جوش است بخار فوق داغ گفته می شود.
توصیه می شود همیشه از بخار اشباع برای پروسه های کاربردی و از بخار فوق داغ برای تولید قدرت استفاده شود.
بخار فوق گرم با حرارت دادن بیشتر بخار مرطوب یا اشباع فراتر از نقطه بخار اشباع ایجاد می شود.
این بخاری تولید می کند که دمای بالاتر و چگالی کمتری نسبت به بخار اشباع با فشار یکسان دارد.
بخار سوپرهیت عمدتاً در برنامه‌های پیشرانه/محرکه مانند توربین‌ها استفاده میشود و معمولاً برای کاربردهای انتقال حرارت استفاده نمی‌شود.
تا زمانی که بخار فوق گرم، خود را حفظ کند، بخار فوق گرم حتی اگر با اتمسفر تماس پیدا کند و دمای آن کاهش یابد متراکم نمی شود. در نتیجه هیچ ابر بخاری تشکیل نمی شود.
بخار فوق گرم نسبت به بخار اشباع با فشار یکسان، گرمای بیشتری را ذخیره می کند، و حرکت مولکول های آن سریع تر است، بنابراین چگالی کمتری دارد (یعنی حجم مخصوص آن بیشتر است).
مزایای استفاده از بخار فوق گرم برای راندن توربین ها:
- برای حفظ خشکی بخار برای تجهیزات بخار محور که عملکرد آنها به دلیل وجود میعانات مختل می شود.
- برای بهبود راندمان حرارتی و قابلیت کار، به عنوان مثال برای دستیابی به تغییرات بزرگتر در حجم خاص از حالت فوق گرم تا فشارهای کمتر، حتی خلاء.
هم تامین و هم تخلیه بخار در حالت فوق گرم مفید است زیرا میعانات در داخل تجهیزات بخار محور در طول عملیات عادی تولید نمی شود و خطر آسیب ناشی از فرسایش یا خوردگی اسید کربنیک را به حداقل می رساند.
علاوه بر این، از آنجایی که راندمان حرارتی نظری(تئوری) توربین از مقدار آنتالپی در ورودی و خروجی توربین محاسبه می شود، افزایش درجه حرارت فوق العاده و همچنین فشار،
آنتالپی را در سمت ورودی توربین افزایش می دهد و در نتیجه باعث بهبود راندمان حرارتی می شود.
معایب استفاده از بخار فوق گرم برای گرمایش:
| عیب |
ویژگی |
| کاهش بهره وری
سطح انتقال حرارت بزرگتر مورد نیاز است |
ضریب انتقال حرارت پایین |
| بخار فوق گرم باید سرعت بالایی داشته باشد، در غیر این صورت با از دست رفتن گرما از سیستم، دما کاهش می یابد |
دمای بخار متغیر حتی در فشار ثابت |
| افت دما می تواند تاثیر منفی بر کیفیت محصول داشته باشد |
گرمای محسوسی که برای انتقال گرما استفاده می شود |
| ممکن است به مصالح ساختمانی قوی تری نیاز باشد که نیاز به هزینه تجهیزات اولیه بالاتری دارد |
دما ممکن است بسیار بالا باشد |
|
|
به این دلایل و دلایل دیگر، بخار اشباع بر بخار سوپرهیت به عنوان محیط گرمایش در مبدل ها و سایر تجهیزات انتقال حرارت ترجیح داده می شود.
از سوی دیگر، هنگامی که به عنوان یک منبع گرما برای گرمایش مستقیم به عنوان یک گاز با دمای بالا در نظر گرفته شود، نسبت به هوای گرم مزیتی دارد که می تواند به عنوان منبع گرمایی برای گرمایش در شرایط بدون اکسیژن استفاده شود.
تحقیقات همچنین در مورد استفاده از بخار فوق گرم در کاربردهای پردازش مواد غذایی مانند پخت و پز و خشک کردن در حال انجام است.
آب فوق بحرانی
آب در حالتی است که از نقطه بحرانی خود فراتر می رود: 22.1MPa، 374 درجه سانتی گراد (3208 psia، 705 درجه فارنهایت).
در نقطه بحرانی، گرمای نهان بخار صفر است و حجم مخصوص آن چه مایع و چه گازی در نظر گرفته شود دقیقاً یکسان است. به عبارت دیگر، آبی که در فشار و دمای بالاتر از نقطه بحرانی است، در حالت غیرقابل تشخیصی است که نه مایع است و نه گاز.
آب فوق بحرانی برای به حرکت درآوردن توربین ها در نیروگاه هایی که نیاز به راندمان بالاتری دارند، استفاده می شود.
تحقیقات روی آب فوق بحرانی با تاکید بر استفاده از آن به عنوان سیالی که دارای خواص مایع و گاز است و به ویژه مناسب بودن آن به عنوان حلال برای واکنش های شیمیایی، انجام می شود.
اگرچه نمی توان با مشاهده بصری تشخیص داد، این آب به شکلی است که نه مایع است و نه گاز. ایده کلی حرکت مولکولی نزدیک به گاز و چگالی نزدیک تر به چگالی مایع است.
بخار تمیز
بخار تمیز، بخار برای تزریق ( بخار مستقیم )
به بخار تمیز اسامی مانند بخار WFI، بخار بسیار خالص، بخار بهداشتی، بخار تمیز دارویی، بخار تمییز GMP و بخار ضدعفونی شده نیز نسبت داده می شود.
بخار تمیز که نتیجه چگالش است باید استانداردهای درجه آب USP برای تزریق را بدست اورد، همچنین باید بدون باکتری یا عمل عفونی زا باشد. بخار خالص باید توسط ژنراتور بخار خالص بهداشتی، تولید شود.
مطلب پیشنهادی: بخار – منبع انرژی سیال
کاربرد دیگ های بخار و آبگرم در پردیس دانشگاهها
