از: مهندس نیما نظری

مرجع: spirax sarco

بخار سوپرهیت

بخار سوپرهیت بخاری است با دمای بالاتر از دمای تبخیر در هر فشار و یا به اصطلاح به بخاری با دمای بالاتر از دمای بخار اشباع اطلاق می‌گردد. برای مثال بخار در فشار ۳ بار گیج در شرایط اشباع دارای دمای ١٤٣ درجه سانتیگراد است که اگر حرارت بیشتری به آن اضافه شود و فشار آن در ۳ بار باقی بماند منجر به افزایش دمای سیال شده و مافوق گرم یا سوپرهیت می‌گردد. از مشخصات بخار سوپرهیت می‌توان موارد زیر را نام برد :

– دمایی بالاتر از بخار اشباع (شکل ۱)؛

-انرژی بیشتر از بخار اشباع

– حجم مخصوص بیشتر از بخار اشباع

بخار سوپرهیت عمدتاً در ژنراتورهای تولید کننده قدرت به عنوان نیروی محرک توربین‌ها کاربرد دارد. مروری بر سیکل رنکین نشان می‌دهد به منظور به حرکت در آوردن پره های توربین، بخار سوپرهیت بسیار کارآمدتر از بخار اشباع می‌باشد.

شکل 1: نمودار دما و فشار بخار اشباع

سوپرهیت نمودن بخار دارای مزایای زیر است :

• بخار مرطوب در توربین‌ها موجب تشکیل قطرات آب روی پره ها می گردد و لذا خوردگی پره ها را به همراه دارد.

• بخار سوپرهیت را می‌توان با سرعت بیشتری ( تا ۱۰۰ متر بر ثانیه ) منتقل نمود. به این معنا که کلیه لوله ها و تجهیزات توزیع بخار سوپرهیت با سایز کمتری به کار می روند. ( در حالی که با وجود سرعت بالا، افت فشار از حد مجاز تجاوز نخواهد نمود. )
• در شرایطی که سیستم پیوسته در حال کار است یا شرایط Running سیستم، کاربرد بخار سوپرهیت به معنای عدم تشکیل کندانس در خطوط توزیع می باشد. اگرچه نیاز به تله های بخار تنها به منظور تخلیه کندانس تشکیل شده در زمان شروع به کار سیستم وجود دارد.

همچنین سوپرهیت نمودن بخار دارای معایب زیر است :

• بخار سوپرهیت شامل مقدار زیادی انرژی است که این انرژی به سه شکل و یا سه بخش می باشد : آنتالپی مایع، آنتالپی تبخیر ( گرمای نهان ) و آنتالپی سوپرهیت. درصد بالای انرژی مربوط به آنتالپی تبخیر بوده و آنتالپی سوپرهیت کمترین نسبت انرژی را شامل می گردد. برای مثال در بخار ۹ بارگیج و ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۱۲۰درجه سوپرهیت شده است ) مقادیر انرژی به صورت زیر تقسیم می گردد : (شکل ۲)

آنتالپی مایــــــــع = 763 کیلوژول بر کیلوگرم

آنتالپی تبخیر = 2015 کیلوژول بر کیلوگرم

آنتالپی سوپرهیت = 274 کیلوژول بر کیلوگرم

شکل 2: تقسیم انرژی بخار سوپرهیت

ضریب انتقال حرارت در زمان به کارگیری بخار سوپرهیت (به‌عنوان سیال عامل انتقال حرارت ) متغیر است و مقدار این ضریب بسیار پایین بوده و امکان تعیین دقیق آن وجود ندارد. این مشکلات موجب می گردد انتخاب سایز و کنترل مقدار انرژی در تجهیزات به سختی صورت پذیرد و به انتخاب مبدل‌های با سایزهای بزرگتر و گرانتر منجر گردد. در ابتدا بخار سوپرهیت سرد شده و به بخار اشباع تبدیل می گردد و ضمناً ضریب انتقال حرارت به شدت افزایش می یابد در این زمان دمای بخار تا زمان کندانس شدن ثابت باقی خواهد ماند. ثابت ماندن دما بزرگترین همیاری جهت تعیین سایز و کنترل انرژی است. همچنین وجود بیشینه ضریب انتقال حرارت وابسته به بخار اشباع بوده و در زمان به کارگیری آن سایز مبدل حرارتی نسبت به به‌کارگیری بخار سوپرهیت کاهش می یابد.

• دمای بالای بخار سوپرهیت نیاز به تجهیزات مقاوم تری را ایجاب می نماید که مسلماً پرهزینه تر خواهند بود. ممکن است دمای بالای بخار سوپرهیت موجب خرابی برخی تجهیزات حساس گردد.

این معایب نشان می‌دهد بخار سوپرهیت به طور معمول برای کاربرد در فرآیندهای گرمایشی نامناسب می باشد، اما سایت‌هایی وجود دارند که از بخار سوپرهیت جهت تولید قدرت استفاده می نمایند و پس از سیکل توربین با دی سوپرهیت نمودن بخار از آن جهت فرآیندهای دمایی بهره برداری می شود.

همچنین سایت‌هایی وجود دارند که از حجم زیادی از ضایعات به جای سوخت بویلر استفاده می کنند. چنانچه مقدار ضایعات به قدر کافی زیاد باشد بخار سوپرهیت جهت ژنراتور قدرت تولید می گردد. مثالی برای این سایت‌ها، کارخانه های بازیافتی – کاغذ سازی و یا صنایع پالایش شکر – می باشد.

در سایت‌هایی که جهت فرآیندهای گرمایشی بخار سوپرهیت وجود دارد می توان از آن جهت توزیع بخار به مکان‌های دور استفاده نمود تا مطمئن شویم بخار کاملاً خشک به مصرف کنندگان می رسد.

نصب دی سوپرهیتر

موارد قابل توجهی در خصوص نصب سیستم دی سوپرهیتر وجود دارند که در ادامه به آن اشاره می‌شود :

• مشخصات و خصوصیات آب سرد تزریقی؛
• .نکات نصب دی سوپرهیتر
• تجهیزات جانبی مورد نیاز سیستم؛

• شیر کنترلی مورد استفاده در مسیر آب سرد و همچنین شیر کنترلی مسیر بخار سوپرهیت

در شکل ۳ نمونه ای از سیستم دی سوپرهیتر با تزریق مستقیم نمایش داده شده است.

شکل 3: نمایش نصب سیستم دی سوپرهیتر با تجهیزات spiax sarco

خصوصیات و مشخصات آب سرد تزریقی

• دما : مؤثرترین آبی که به منظور دی سوپرهیت نمودن استفاده می شود آب گرم است و ترجیحاً آبی با دمای نزدیک به دمای اشباع به کار می رود. اگرچه در صورت لزوم می توان از آب با دمای پایین تر نیز استفاده نمود، حتی آب با دمای ۵ درجه سانتیگراد نیز برای این کاربرد قابل استفاده می‌باشد. از مزایای کاربرد آب داغ می توان به مواردی اشاره نمود:

نخست اینکه آب داغ دوره کوتاه تری را به صورت معلق در بخار سوپرهیت سپری می کند. همچنین به سرعت به بخار تبدیل می گردد، ضمناً مقدار آبی که بر روی دیواره لوله می ریزد به شدت کاهش می یابد. موارد مطرح شده تأثیر مستقیم بر کاهش خوردگی ها، تنش‌های حرارتی و نوسانات دما خواهند داشت.

از طرف دیگر دو مورد معایب در به کارگیری آب داغ وجود دارد: نخست آنکه مقدار آب ( مقدار جرمی ) مورد نیاز جهت تأمین شرایط بخار اشباع افزایش می یابد. ثانیاً در صورت عدم وجود آب داغ کافی مورد نیاز، باید مکانیزم گرمایش آب نیز به سیستم اضافه گردد.

با توجه به مزایای آب داغ در کاربرد فوق، منطقی است خطوط انتقال آب داغ به منظور ایمنی پرسنل و جلوگیری از اتلاف حرارت عایق گردند.

• کیفیت : کیفیت آب تزریق شده جهت دی سوپرهیت نمودن بسیار حائز اهمیت است و باید سختی آب (TDS) ثابت و در حد پایین نگه داشته شود. چنانچه کیفیت آب مطلوب نباشد، ذرات جامد می توانند بر روی شیرهای قطع و وصل و شیرهای کنترلی سوراخ‌ها و اریفیس های دی سوپرهیتر و جداره های داخلی لوله های بعد از پایین دست دی سوپرهیتر اثرات نامطلوبی ایجاد کنند.

به علاوه جهت اطمینان از پاکی آب ورودی به سیستم، نیاز به نصب صافی قبل از شیر کنترلی تزریق آب احساس می شود.

• فشار و گذر جریان : مقدار فشار آب همراه با سطح نازل ها، مقدار آب عبوری از دی سوپرهیتر را تعیین می کنند. همچنین از طریق رابطه زیر می توان مقدار گذر جریان آب مورد نیاز را محاسبه نمود: m_cw = m_s( h_s-h_d ) / ( h_d-h_cw )

در این معادله :

m_cw = جرم جریان آب خنک کننده (kg/h)

m_s = جرم جریان بخار سوپرهیت (kg/h)

h_s = آنتالپی بخار سوپرهیت (kJ/kg)

h_d = آنتالپی بخار دی سوپرهیت (kJ/kg)

hcw = آنتالپی آب خنک کننه ورودی (kJ/kg)

در جدول ۱ فشارهای آب تزریقی برای انواع دی سوپرهیتر مشخص شده است و باید توجه داشت که این مقادیر با توجه به کارخانه سازنده و حتى مقدار فشار بخار تا حدودی متغیر است. ضمناً مقدار فشار آب باید بیشتر از فشار بخار در نظر گرفته شود.

جدول 1: تقسیم انواع دی سوپرهیتر و تنوع فشار سیستم طی تحقیق spirax sarco

اگر یک بوستر پمپ جهت تأمین فشار آب به‌کار رود به یک خط برگشت (spill back line) به منظور اطمینان از جریان مؤثر در پمپ نیاز است تا در زمان کاهش مصرف آب جریان کافی از پمپ عبور نماید.

• کنترل : گذر جریان از شیر کنترلی به ناچار با افت فشار همراه است. زمانی که از آب نزدیک به دمای اشباع استفاده می شود، لازم است مطمئن شویم مقدار افت فشار باعث فلاش شدن جریان در گذر از شیر نمی گردد. معمولاً از یک شیر تناوبی جهت کنترل آب استفاده می‌شود تا به درستی با سیستم پمپاژ هماهنگ گردد.
• منبع : ذخیره نگه داشتن آب تزریقی با دمای بالا و فشار بالا بسیار مشکل است و به منظور تأمین آب مورد نیاز جهت تزریق می‌توان یکی از این روش‌ها را انتخاب نمود: نخست آنکه از آب پمپ شده بویلر استفاده نمود ( در شرایطی که بویلر مجهز به سیستم کنترل سطح متناوب باشد)؛ می‌توان از آب سختی گیری شده و یا کندانس برگشتی استفاده نمود؛ همچنین می‌توان از آب شهر استفاده کرد که به سختی زدایی جهت افزایش کیفیت نیازمند است و در غیر این صورت ذرات جامد در مسیر ورودی به دی سوپرهیتر ته‌نشین خواهند شد.

ادامه دارد…