خصوصیات منحصر به فرد بخار

از: مهندس عادل قهرمانی (شرکت صنایع پایدار ایده)

ماخذ: Spirax Sarco Tech.Ref

مقدمه

از اوایل دوران انقلاب صنعتی در اروپا، بخار به عنوان یکی از سیال های قابل استفاده جهت انتقال انرژی و یا مستقیماً به عنوان سیال عامل (Working Fluid) برای تولید انواع دیگر انرژی و کار (نظیر توربین های بخار جهت تولید انرژی الکتریکی) مطرح بوده است. امروزه نیز در بسیاری از کاربردهای صنعتی، برودتی و حرارتی، فرایندها، سیکل های نیروگاهی و… از بخار استفاده می شود و هنوز جایگزین مناسب تری برای آن پیدا نشده است. در مقاله حاضر، به ویژگی های منحصر به فرد بخار و مقایسه آن با دیگر سیالات صنعتی پرداخته شده و علل استفاده از آن بیان می گردد.

به طور کلی آب و بخار به عنوان سیال عامل دارای ویژگی های زیر می باشند:

1. آب همواره به عنوان در دسترس ترین سیال موجود در کره زمین بوده و با قیمت بسیار کم قابل تهیه است.
2. از نظر شیمیایی پایدار بوده و برای سلامت محیط و انسان کاملاً بی خطر است.
3. آب در دمای کاملاً پایین تری نسبت به حد قابل تحمل لوله های فولادی داخل دیگر تبخیر می شود و در شرایط عادی امکان صدمه به دیگ را منتفی می سازد.
4. آب و بخار به عنوان ذخیره کننده های بسیار خوب حرارت عمل کرده و می توانند مقادیر زیادی از انرژی را انتقال دهند. این خاصیت در بخار به مراتب بیشتر بوده و بنابراین اندازه لوله ها و حجم کلی سایت و بالطبع هزینه ها در حد قابل قبول و نسبتاً پایین می باشند.
5. تبدیل بخار به چگالیده، در دمای ثابت و با ضریب انتقال حرارت بالا صورت می گیرد که این دمای ثابت هرگونه تغییرات دما در سطوح انتقال حرارت را خنثی می سازد.
6. استفاده از بخار راهی بسیار مناسب جهت تحویل میزان دقیقی از انرژی گرمایی به نقطه مصرف بدون نیاز به استفاده از پمپ سیرکولاسیون می باشد.
7. بخار می تواند همزمان به عنوان سیال حامل انرژی در فرایندها و یا جهت تولید نیرو و یا در فرایندهای صنعتی استفاده گردد.

بیش از ۱۳۰ سال است که استفاده از بخار ادامه دارد و در این زمینه شرکتی Spirax Sarco از ابتدای امر به عنوان شرکتی پیشرو همواره در جهت افزایش راندمان سیستم، سهولت استفاده و کاهش هزینه ها و با تدوین استانداردهای بین المللی تلاش نموده است.
به طور کلی سیالات قابل استفاده رایج در فرایندهای صنعتی و تأسیسات عمومی را می توان به سه گروه زیر دسته بندی نمود:

• آب، دما پایین، دما متوسط و دما بالا
• روغن دما بالا
• بخار

با توضیح کامل تر این سیستم ها، خواص و محدوده های هر سیستم مشخص می شود.

آب دما پایین

سیستم های آبی دما پایین معمولاً با دمای حدود ۸۲°C طراحی شده و آب به عنوان سیال عامل از طریق لوله ها گردش داده می شود. این سیستم در بسیاری از کشورها از جمله ایران به عنوان رایج ترین سیستم در فرآیندهای گرمایش کوچک قابل استفاده است. اختلاف دمای نرمال بین آب رفت و برگشت در این سیستم ۱۷°C می باشد که حداکثر به ۱۷°C می رسد. با این حال در برخی کاربردها می توان اختلاف دمای تا ۴۰°C را نیز اعمال نمود.

آب دما متوسط و بالا

در این سیستم ها، با تحت فشار قرار دادن سیستم، آب را تا دماهای بسیار بالاتری گرم می کنند. شایع ترین موارد استفاده از این سیستم، تهویه مطبوع و در برخی موارد فرآیندهای صنعتی می باشند. سیستم های تحت فشار آبی، سیستم های آب بندی شده ای هستند که توسط منبع انبساط بسته تحت فشار قرار دارند و فشار لازم با استفاده از تزریق گاز (عموماً نیتروژن) به داخل منبع انبساط بسته تأمین می گردد.

سیستم های آب داغ به طور معمول تا ۶۰۰kpa تحت فشار قرار می گیرند که با استفاده از دمای اشباع آب در این فشار، دمای ۱۶۵°C حداکثر دمای قابل استفاده می باشد. با این وجود این سیستم ها باید با حد فاصل ایمنی لازم نسبت به حداکثر دما کنار کنند و بنابراین دمای حداکثر قابل استفاده در آنها حدود ۱۴۸°C خواهد بود. این تقلیل دما به منظور جلوگیری از تشکیل بخار که ممکن است در اثر افت ناگهانی فشار در هر قسمت سیستم رخ دهد، انجام می گیرد. از اختلاف دمای ۱۷°C با عنوان Anti-Flash Margin نام برده می شود.

سیستم های آب داغ با دمای متوسط نیز سیستم های تحت فشاری هستند که با دمای ۱۰۰°C و ماکزیمم دمای ۱۲۰°C عمل می کنند و فشار کاری آنها نیز حدود ۳۵۰kpa است. جدول ۱ نشان دهنده مشخصات عمومی سیستم های آبی می باشد.

میزان انرژی قابل انتقال توسط آب را نیز می توان توسط فرمول زیر محاسبه نمود:

Q = m × c × ΔT
Q : انرژی (kW)
m : دبی جرمی آب (kg/s)
c : ظرفیت مخصوص گرمایی آب (4.186kj/kg°k)

سیستم روغن داغ

در صورتی که دماهای کاری بالاتری مورد نیاز باشد، باید از سیالات جایگزینی نظیر روغن به جای آب استفاده نمود. این سیستم‌ها در فشارهای اتمسفریک به علاوه فشار استاتیک سیستم کارکرده، و از سیالات غیر سمی نظیر روغن صنعتی برای دماهای تا حداکثر ۳۰۰ استفاده می‌کنند. ترکیبات شیمیایی خاص نیز در دماهای بالاتر (۴۰۰ – ۳۰۰) قابل استفاده هستند.
سیستم‌های روغن دما بالا دارای معایب زیر می‌باشند:

• در شرایط خاصی قابل اشتعال می‌باشند.
• ضریب انتقال حرارت بسیار پایین‌تری نسبت به سیستم‌های آبی دارند.
•  بسیار گران‌تر از آب هستند.

بخار

پاره‌ای از ویژگی‌های منحصر به فرد بخار در زیر توضیح داده می‌شود:
• به علت دارا بودن ظرفیت گرمایی ویژه بالا، لوله‌های سیستم‌های بخار کوچک‌تر از سیستم‌های دیگر جهت انتقال میزان مشخصی از انرژی می‌باشند که به این معنای هزینه کلی کمتر است.
• لوله‌های بخار دارای وزن کمتری نسبت به سیستم‌های دیگر هستند؛ به طور مثال در سیستم‌های آبی یک لوله با قطر ۶ و یا طول ۵۰ متر حدود ۹۳۰ kg آب را حمل می‌کند، در حالی که وزن بخار اشباع با فشار bar ۶ جهت پر کردن کامل همین حجم تنها ۲۴kg است که بالطبع اجرای این لوله‌ها بسیار ساده‌تر بوده و به ساپورت‌های کمتری نیاز می‌باشد.
• جریان بخار در داخل لوله‌ها به علت اختلاف فشار در سیستم می‌باشد و احتیاجی به استفاده از پمپ‌های سرکولاتور ندارد که هزینه نسبتاً زیادی را به سیستم تحمیل می‌کنند. البته پمپ‌های برگشت چگالیده به داخل دیگ مورد نیاز است که در مقایسه با پمپ‌های بزرگ سیستم‌های آبی هزینه بسیار کمتری دارند.
• بخار قابل انعطاف بوده و در سیستم‌های بخار می‌توان میزان بار سیستم را به راحتی افزایش و یا کاهش داد (با توجه به محدودیت بخار تولیدی) که در سیستم‌های آبی این امر به راحتی امکان‌پذیر نیست؛ زیرا سیستم باید همواره به طور هیدرولیکی بالانس باشد و کنترل اختلاف فشار در سیستم‌های مختلف سیستم ضروری است. از طرفی در صورت استفاده از پمپ‌های دور متغیر در سیستم که تکنولوژی نوین جهان جهت کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان می‌باشد، تغییرات اعمالی در جهت افزایش و یا کاهش بار توسط پمپ جبران شده و این کار را با مشکل مواجه می‌سازد.

• شیرهای کنترل سه راهه در تجهیزات سیستم بخار استفاده نشده، و تنها از شیرهای دوراهه استفاده می‌شود که هزینه کمتر با کنترل راحت‌تری را دارا می‌باشد.
• ویژگی‌های بخار در نقاط مصرف نیز قابل توجه می‌باشد: به علت بالاتر بودن ضریب انتقال حرارت بخار نسبت به سیستم‌های آبی (به طور عمومی ۷ برابر)،
اندازه تجهیزات و سطوح انتقال حرارت در مصرف‌کننده‌های بخار بسیار کوچک‌تر است.
همچنین از آنجا که بخار هر فضایی را به راحتی پر می‌کند، هزینه کانال‌ها و یا پره‌های مخصوص در ساخت تجهیزات کاهش پیدا کرده و از طرفی در صورت نیاز، با استفاده از نصب شیر فشارشکن و در نتیجه با فشار پایین‌تر به سهولت می‌توان به دماهای پایین‌تری جهت مصرف‌کننده‌ها دست پیدا نمود.
• دمای یکنواخت بخار در مقایسه با سیستم‌های آبی و یا روغن داغ که دارای گرادیان درجه حرارت در سطوح انتقال حرارت می‌باشند بسیار قابل توجه است؛ مخصوصاً در تجهیزاتی که نیاز به دمای ثابت و یکنواخت در این سطوح دارند. به طور مثال در اتوهای بخار (laundry ironer) که دارای تعدادی سیلندر دوار می باشند که با بخار گرم میشوند و یا در سیلندر های خشک کن صنایع نساجی هرگونه تغییر دمای ناخواسته در سطوح انتقال حرارت باعث صدمه دیدن و یا کاهش کیفیت محصول تولیدی میشود.

•برنامه تعمیرات و نگهداری سیستم بخار باید از مرحله طراحی در نظر گرفته شود. بازدید و تعمیرات کلی سیستم بخار به راحتی و با خاموش کردن سیستم قابل انجام بوده و نیازی به تخلیه کامل سیستم نمیباشد.

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 61

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.