في كل مرة تغلي فيها غلاية ماء، تُنتج بخارًا.
لكن، بدلاً من أن يكون ناتجًا ثانويًا لغلي الماء، يُعد البخار مصدرًا قويًا ومتعدد الاستخدامات وفعالًا للطاقة الحرارية. لهذا يُستخدم البخار على نطاق واسع عبر الصناعات.
في هذا المقال، سنستكشف أين يُستخدم البخار، وكيفية التحكم بالطاقة في البخار، ولماذا يُعد البخار فعالًا جدًا في نقل الحرارة إلى العمليات الصناعية.
أي الصناعات تستخدم البخار للطاقة الحرارية؟
تعتمد العديد من الصناعات على البخار للحرارة أو الطاقة الحرارية. تستخدم الشركات والمنظمات الطاقة الحرارية لتوفير درجات حرارة عالية للعمليات الحرجة.
في صناعة الأغذية والمشروبات، يُستخدم البخار في مراحل مختلفة أثناء التصنيع، بما في ذلك البسترة والطهي والتنظيف والتجفيف. على سبيل المثال، تُطهي حرارة البخار حبوب الفاصوليا النيئة داخل علبها.
بينما في قطاع الرعاية الصحية، تستخدم المستشفيات البخار عالي الضغط لتعقيم المعدات الجراحية داخل جهاز التعقيم بالبخار. يقتل البخار الكائنات الدقيقة والأبواغ، مما يضمن أن الأدوات الطبية آمنة للاستخدام دون الحاجة إلى مواد كيميائية.
تستخدم هذه الصناعات وغيرها الكثير البخار بفضل خصائصه الفريدة كمصدر فعال للطاقة الحرارية.
أين يُنتج البخار ويُستخدم؟
يُنتج البخار في غرفة الغلايات (A) ويُوزع عبر الأنابيب إلى العمليات التي تحتاج الطاقة الحرارية. تستخدم كل عملية مبادل حرارة (B) لنقل جزء من الطاقة الحرارية في البخار إلى تلك العملية. يُطلق البخار هذه الطاقة بالتكثف على سطح أبرد ويُشكل مكثفًا سائلًا؛ يعود السائل إلى غرفة الغلايات، حيث يُغذّي الغلاية ويُنتج مزيدًا من البخار. تُعرف العملية بأكملها بحلقة البخار والمكثف.
كم من الطاقة الحرارية في البخار؟
يمكنك حساب كمية الطاقة الحرارية في البخار باستخدام جداول البخار1. تُظهر هذه العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة وحجم، وأهم من ذلك، كم من الطاقة يحتوي البخار. بمعرفة ذلك، يمكنك تعديل الطاقة في البخار لعمليات مختلفة.
جداول البخار
عند الضغط الجوي، 0 بار غاز، يغلي الماء عند 100 درجة مئوية (كما في الغلاية). يُظهر الصف الأول في جداول البخار أن 419 كيلوجول/كجم من الطاقة، المعروفة باسم إنتالبي الماء، مطلوبة لوصول الماء إلى نقطة الغليان.
لكن لإنتاج البخار، تحتاج إلى إضافة 2,257 كيلوجول/كجم إضافية من الطاقة، والتي تُسمى إنتالبي التبخر أو الطاقة المفيدة. بينما إجمالي كمية الطاقة في البخار الآن 2,676 كيلوجول/كجم، إلا أن الطاقة المفيدة فقط هي التي ستنقل إلى العملية عند تكثف البخار في مبادل الحرارة.
تفترض جداول البخار أنك تُنتج بخارًا مشبعًا جافًا. ومع ذلك، يمكن أيضًا إنتاج بخار رطب وبخار مُحمّى مفرط، ويُظهرهما مخطط أطوار البخار.
مخطط أطوار البخار
يُظهر النقطة A المعلومات المعادلة من السطر الأول من جداول البخار، حيث عند 0 بار غاز يستغرق 419 كيلوجول/كجم من الإنتالبي (الطاقة الحرارية) للماء للوصول إلى نقطة الغليان عند 100 درجة مئوية وبدء التبخر.
يُظهر الخط بين النقطة A والنقطة B رحلة الماء المغلي مع إضافة 2,257 كيلوجول/كجم إضافية من الطاقة الحرارية. عند B، تبخر الماء تمامًا إلى بخار مشبع جاف. الخط الأحمر في المخطط هو خط البخار المشبع الجاف. البخار المُنتَج بين A وB هو بخار رطب لأنه لا يزال يحتوي على رطوبة. البخار على يمين خط البخار المشبع الجاف هو بخار مُحمّى مفرط.
أي نوع من البخار هو الأكثر كفاءة لنقل الحرارة؟
البخار المشبع الجاف
البخار المشبع الجاف هو النوع المثالي من البخار لنقل الحرارة لأنه الأكثر كفاءة للعملية ويُسبب تحديات هندسية أقل. البخار جاف لأنه لا يحتوي على رطوبة وهو مشبع لأنه مليء بالطاقة. لا يستطيع البخار احتواء المزيد من الطاقة عند تلك درجة الحرارة والضغط.
البخار الرطب
البخار الرطب أقل كفاءة من البخار المشبع الجاف لأنه يحتوي على طاقة أقل. مع البخار الرطب، ستتلقى العملية طاقة أقل وكتلة أقل من البخار، مما قد يُطيل مدة العملية أو يفوت درجة الحرارة المطلوبة أو يؤدي إلى فساد المنتج.
البخار المُحمّى مفرط
البخار المُحمّى مفرط2 يمتلك درجة حرارة أعلى من البخار المشبع عند نفس الضغط. بينما تُنتج بعض منشآت البخار بخارًا مُحمّى مفرطًا لتوليد الكهرباء، لا يُوصى بالبخار المُحمّى مفرط لنقل الحرارة لأنه يمتلك معدل نقل حرارة أقل. يتطلب البخار المُحمّى مفرط أيضًا مساحة نقل حرارة أكبر من البخار المشبع الجاف.
لماذا يُعد البخار أكثر كفاءة من المياه الساخنة منخفضة الحرارة (LTHW) لنقل الحرارة؟
البخار المشبع الجاف أكثر كفاءة لنقل الحرارة3 من البدائل مثل المياه الساخنة منخفضة الحرارة (LTHW) بفضل خصائصه الفريدة.
الضغط يتحكم في الطاقة الحرارية داخل البخار
يتغيير الضغط يتيح لك التلاعب بالبخار لتلبية احتياجات العملية، بما في ذلك كمية الطاقة الحرارية التي يحتويها.
عندما تُسخن الماء تحت الضغط، تكون لديه نقطة غليان أعلى، لذا تكون هناك حاجة لطاقة حرارية أكبر. من جداول البخار، عند 5 بار غاز، يغلي الماء عند 159 درجة مئوية ويحتاج 671 كيلوجول/كجم من الطاقة للوصول إلى نقطة الغليان. لكن تحويل هذا الماء المغلي إلى بخار يستغرق طاقة حرارية أقل من الضغوط المنخفضة. عند 5 بار غاز، تحتاج 2,086 كيلوجول/كجم من الطاقة، مقارنة بـ 2,257 كيلوجول/كجم عند 0 بار غاز.
معرفة تأثير الضغط يتيح لك إنتاج بخار تحت ضغط عالٍ في غرفة الغلايات ثم توزيعه على العملية. عندما يصل البخار إلى مبادل الحرارة، يزيد خفض الضغط من كمية الطاقة المفيدة المنقولة إلى العملية.
البخار يمتلك محتوى حراري أعلى من LTHW
يُنتج البخار عند درجات حرارة وضغوط أعلى بكثير من LTHW، لذا يمتلك محتوى حراري أعلى بشكل ملحوظ ويمكنه نقل المزيد من الطاقة الحرارية إلى العملية. بعبارة أخرى، يُطلب بخار أقل من LTHW لإنتاج نفس تأثير التدفئة.
على سبيل المثال، قارن مبادل حرارة بخار-ماء مع مبادل ماء-ماء مُصمم لنقل 11 درجة مئوية إلى العملية. مع كيلوجرام واحد من البخار، هناك ضعف الطاقة الحرارية المفيدة مقارنة بكيلوجرام من LTHW. وهذا يعني أنك تحتاج بخارًا أقل بـ 50 مرة لنفس تأثير التدفئة، لأن الماء يمتلك سعة حرارية نوعية تبلغ 4.19 كيلوجول/كجم درجة مئوية بينما الطاقة الحرارية المفيدة في البخار تبلغ 2,200 كيلوجول/كجم.
البخار ينقل الحرارة بسرعة ثلاثة أضعاف LTHW
ينقل البخار الطاقة الحرارية أسرع من LTHW لأنه يُطلق طاقته الحرارية بالتكثف. معامل نقل الحرارة، الذي يقيس سرعة نقل الحرارة، يبلغ تقريبًا ثلاثة أضعاف في مبادل بخار-ماء مقارنة بمبادل ماء-ماء.
بما أن البخار يوفر معدل نقل حرارة أسرع، فتتطلب مساحة سطحية أصغر أيضًا داخل مبادل الحرارة لنقل نفس كمية الطاقة الحرارية. ونتيجة لذلك، يحتاج مبادل بخار-ماء بصمة أصغر من مبادل ماء-ماء معادل.
البخار ينقل الحرارة بشكل موحد عبر المساحة السطحية
البخار غاز، لذا ينتشر لملء الفراغ. داخل مبادل حرارة بخار-ماء، يوجد انتشار متساوٍ للحرارة عبر مساحة سطح نقل الحرارة مقارنة بمبادل ماء-ماء.
استخدام البخار لنقل الحرارة يُقلل من النقاط الباردة داخل مبادل الحرارة ويُوفر نقل حرارة أكثر اتساقًا.
البخار: خيار فعال لنقل الحرارة
يُعد البخار مصدر طاقة حرارية جذابًا للعديد من الصناعات بسبب كفاءته. تغيير الضغط يتيح لك تعديل الطاقة المفيدة داخل البخار. محتوى البخار الحراري وسرعة النقل أعلى بشكل ملحوظ من LTHW. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج البخار إلى مساحات نقل حرارة أصغر من مصادر الطاقة الأخرى.