البخار المتسارع

فوائد استرداد البخار المتسارع، وكيف يتم ذلك، وكيف يمكن تطبيق البخار المتسارع في أماكن أخرى من المصنع لتحقيق أقصى كفاءة ممكنة.

ما هو البخار المتسارع ولماذا يجب استخدامه؟

يُطلق ‘البخار المتسارع’ من المكثفات الساخنة عند خفض ضغطها. حتى الماء عند درجة حرارة الغرفة المحيطة البالغة 20 درجة مئوية سيغلي إذا خُفض ضغطه بما فيه الكفاية. قد يجدر الإشارة إلى أن الماء عند 170 درجة مئوية سيغلي عند أي ضغط أقل من 6.9 بار ضغط مطلق. البخار المطلق من عملية التسارع مفيد بنفس درجة البخار المنبعث من غلاية البخار. كمثال، عندما يُسحب البخار من الغلاية وينخفض ضغطها، فإن جزءًا من محتوى الماء في الغلاية يتبخر ليعزز البخار ‘الحقيقي’ الناتج عن حرارة وقود الغلاية. ولأن كلا النوعين من البخار يُنتجان في الغلاية، فمن المستحيل التمييز بينهما. فقط عندما يحدث التسارع عند ضغط منخفض نسبيًا، مثل الجانب المنفذ لصمامات البخار، يُستخدم مصطلح البخار المتسارع على نطاق واسع. لسوء الحظ، أدى هذا الاستخدام إلى استنتاج خاطئ مفاده أن البخار المتسارع أقل قيمة من البخار الحقيقي المسمى. في أي نظام بخار يسعى إلى تعظيم الكفاءة، يتم فصل البخار المتسارع عن المكثفات ويُستخدم لتعزيز أي تطبيق تدفئة منخفض الضغط. كل كيلوغرام من البخار المتسارع المستخدم بهذه الطريقة هو كيلوغرام من البخار لا حاجة لتوفيره من الغلاية. وهو أيضًا كيلوغرام من البخار لا يُطلق في الغلاف الجوي حيث سيخسر بخلاف ذلك. أسباب استرداد البخار المتسارع مقنعة اقتصاديًا وبيئيًا بنفس درجة أسباب استرداد المكثفات. كمية البخار المتسارع المتاحة؟ إذا كان الاستفادة من البخار المتسارع مطلوبة، فمن المفيد معرفة الكمية المتاحة منه. يمكن تحديد الكمية بسهولة عن طريق الحساب، أو قراءتها من جداول أو رسوم بيانية بسيطة. مثال 14.6.1 - ضع في اعتبارك الوعاء ذو الغلاف الموضح في الشكل 14.6.1 تدخل المكثفات إلى صمام البخار كماء مشبع، عند ضغط مقياس 7 بار ضغط مطلق ودرجة حرارة 170 درجة مئوية. كمية الحرارة النوعية في المكثفات عند هذا الضغط هي 721 كيلوجول/كجم. بعد مرورها عبر صمام البخار، يكون الضغط في خط إرجاع المكثفات 0 بار ضغط مطلق. عند هذا الضغط، أقصى كمية حرارة يمكن أن يحملها كل كيلوغرام من المكثفات هي 419 كيلوجول وأقصى درجة حرارة هي 100 درجة مئوية. هناك فائض قدره 302 كيلوجول من الحرارة يتبخر جزءًا من المكثفات إلى بخار. يتم حساب كمية البخار في النص التالي.

الحرارة اللازمة لإنتاج 1 كجم من البخار المشبع من الماء عند نفس درجة الحرارة، عند 0 بار ضغط مقياس، هي 2257 كيلوجول. وبالتالي يمكن لكمية 302 كيلوجول أنتبخر:

من كل كيلوغرام من المكثفات في هذا المثال، يساوي tỷl البخار المتسارع المُنتَج 13.4% من الكتلة الأولية للمكثفات.

إذا كان الجهاز الذي يستخدم البخار عند 7 بار ضغط مطلق يكثف 250 كجم/ساعة، فإن كمية البخار المتسارع المُطلق من المكثفات عند 0 بار ضغط مطلق ستكون: 0.134 x 250 كجم/ساعة من المكثفات = 33.5 كجم/ساعة من البخار المتسارع بشكل بديل، يمكن قراءة الرسم البياني في الشكل 14.6.2 مباشرة للضغوط المتوسطة والمنخفضة التي تواجهها العديد من المنشآت. المثال الموضح في الشكل 14.6.1 مصوّر في الشكل 14.6.2 ويُظهر أنه يُنتَج 0.134 كجم من البخار المتسارع لكل كجم من المكثفات المارة عبر الصمام.

مكثفات تحت التبريد إذا كان صمام البخار من النوع العلاجي، فإن المكثفات المُنفَذة تكون تحت التبريد دون درجة حرارة التشبع. الحرارة في المكثفات الأبرد ستكون أقل قليلًا، وكمية البخار المتسارع المُنتَجة ستكون أقل. إذا كان الصمام في المثال 14.6.1 ينفّذ المكثفات عند 15 درجة مئوية أقل من درجة حرارة تشبع البخار، فإن الحرارة المتاحة في المكثفات ستكون أقل. مثال 14.6.2 ضع في اعتبارك المكثفات المنفذة عند 7 بار ضغط مطلق ومع 15 درجة مئوية من التبريد تحت التشبع

لذلك، في هذا المثال، خفض المكثفات المنفذة عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة التشبع نسبة البخار المتسارع من 13.4% إلى 10.4%. مكثفات مضغوطة مثال 14.6.3 ضع في اعتبارك المكثفات في المثال 14.6.1 المنفذة إلى ووعاء تسارع مضغوط عند 1 بار ضغط مطلق إذا كان خط الإرجاع متصلاً بوعاء عند ضغط 1 بار ضغط مطلق، فمن الممكن ملاحظة من جداول البخار أن أقصى حرارة في المكثفات عند تصريف الصمام ستكون 505 كيلوجول/كجم وحرارة التبخر عند 1 بار ضغط مطلق ستكون 2201 كيلوجول/كجم. يمكن حساب نسبة المكثفات المتسارعة عند 1 بار ضغط مطلق كما يلي:

في هذا المثال، إذا كان الجهاز الذي يستخدم البخار عند 7 بار ضغط مطلق يكثف 250 كجم/ساعة من البخار، فإن كمية البخار المتسارع المُطلق من المكثفات عند 1 بار ضغط مطلق ستكون 0.098 x 250 كجم/ساعة = 24.5 كجم/ساعة من البخار المتسارع.

لذلك، تعتمد كمية البخار المتسارع المُنتَجة على نوع صمام البخار المستخدم، وضغط البخار قبل الصمام، وضغط المكثفات بعد الصمام.

وعاء استرداد البخار المتسارع (وعاء التسارع)

تُستخدم أوعية التسارع لفصل البخار المتسارع وفقًا لتوجيه المعدات الضغطية الأوروبية 97/23/EC. بعد دخول المكثفات والبخار المتسارع إلى وعاء التسارع، تسقط المكثفات بالجاذبية إلى قاعدة الوعاء، ومن هناك يتم تصريفها عبر صمام عائم عادة إلى مستقبل مُهواة يمكن من خلاله ضخها. يُنقل البخار المتسارع في الوعاء من أعلى الوعاء عبر أنابيب إلى أي معدات بخار منخفض الضغط مناسبة.

تحجيم أوعية استرداد البخار المتسارع

لتحجيم وعاء التسارع، נדרשים المعلومات التالية:

• ضغط البخار قبل صمامات البخار التي تغذّي الوعاء.
• إجمالي تدفق المكثفات إلى وعاء التسارع.
• ضغط البخار المتسارع في وعاء التسارع. باستخدام هذه المعلومات، إلى جانب رسم تحجيم وعاء التسارع (انظر الشكل 14.6.4)، يمكن تحديد حجم الوعاء. يوضح المثال 14.6.4 تحجيم وعاء التسارع باستخدام رسم بياني. مثال 14.6.4 تحديد حجم وعاء التسارع المناسب للشروط التالية: الضغط على صمامات البخار هو 12 بار ضغط مطلق بإجمالي تدفق مكثفات 2500 كجم/ساعة. يُغذّى البخار المتسارع من الوعاء إلى أجهزة تستخدم بخارًا منخفض الضغط عند 1 بار ضغط مطلق. الطريقة:

1. من محور ‘الضغط على صمامات البخار’ عند 12 بار ضغط مطلق، انتقل أفقيًا إلى منحنى ضغط البخار المتسارع 1 بار ضغط مطلق عند النقطة A.
2. انتقل لأسفل عموديًا إلى مستوى تدفق المكثفات البالغ 2500 كجم/ساعة، النقطة B، واتبع الخط المنحني إلى النقطة C.
3. انتقل يمينًا من النقطة C للتقاط خط البخار المتسارع 1 بار ضغط مطلق عند النقطة D.
4. انتقل لأعلى إلى حجم وعاء التسارع واختر الوعاء. لهذا المثال، سيتم اختيار وعاء تسارع FV8.

متطلبات تطبيقات البخار المتسارع الناجحة

• للاستفادة الكاملة من البخار المتسارع، يجب تلبية بعض المتطلبات الأساسية:
• من الضروري توفير إمداد مستمر وكافٍ من المكثفات من التطبيقات العاملة عند ضغوط أعلى، لضمان إطلاق ما يكفي من البخار المتسارع لاسترداده اقتصاديًا.
• يجب أن تكون صمامات البخار والمعدات التي تصرفها قادرة على العمل بشكل مرضٍ ضد الضغط الخلفي الذي يفرضه نظام التسارع.
• يجب توخي الحذر عند محاولة استرداد البخار المتسارع من مكثفات أجهزة التحكم بالحرارة. عند أقل من الحمل الكامل، ينخفض ضغط مساحة البخار بسبب إغلاق صمام التحكم بالبخار. إذا اقترب ضغط البخار في الجهاز من ضغط البخار المتسارع المحدد أو انخفض عنه، فإن الكمية الإجمالية للبخار المتسارع المُشكَّلة ستكون طفيفة، ويجب التساؤل عما إذا كان الاسترداد يستحق في هذه الحالة.
• من المهم أن يكون هناك طلب على البخار المتسارع منخفض الضغط يساوي أو يتجاوز البخار المتسارع المُنتَج. يمكن تعويض أي عجز في البخار المتسارع بالبخار الحقيقي من صمام خفض الضغط. إذا تجاوز إمداد البخار المتسارع الطلب عليه، فسيُنشأ ضغط زائد في نظام توزيع البخار المتسارع، والذي سيجب تفريغه عبر صمام الفائض.
• من الممكن استخدام البخار المتسارع من المكثفات في منشأة تدفئة فضائية - لكن التوفير لن يتحقق إلا خلال موسم التدفئة. عندما لا تكون التدفئة مطلوبة، يصبح نظام الاسترداد غير فعال. حيثما أمكن، أفضل ترتيب هو استخدام البخار المتسارع من مكثفات العمليات لتغذية حمولات العمليات - والبخار المتسارع من مكثفات التدفئة لتغذية حمولات التدفاء. يبقى العرض والطلب بذلك أكثر احتمالًا للتزامن.
• يُفضل استخدام البخار المتسارع بالقرب من مصدر المكثفات عالي الضغط فعليًا. تُستخدم أنابيب بأقطار كبيرة نسبيًا للبخار منخفض الضغط لتقليل فقدان الضغط والسرعة، مما قد يعني تثبيت مكلف إذا كان يجب نقل البخار المتسارع لمسافة بعيدة.

التحكم في ضغط البخار المتسارع

• اعتبار آخر هو طريقة التحكم في ضغط البخار المتسارع.
• في بعض الحالات، يجد ضغط التسارع مستواه بنفسه ولا يلزم اتخاذ مزيد من الإجراءات. عندما يكون العرض والطلب دائمًا متزامنًا، وخاصة إذا استُخدم البخار منخفض الضغط على نفس الجهاز الذي ينتج المكثفات عالي الضغط، فلا يلزم سوى نقل البخار المتسارع عبر أنابيب إلى المنشأة منخفضة الضغط دون أي تحكم آخر.
• يُظهر الشكل 14.6.5 تطبيق استرداد البخار المتسارع على بطارية سخانات هوائية متعددة الصفوف، التي تغذّي هواءً عالي الحرارة إلى عملية ما. تُنقل المكثفات من الأقسام عالية الضغط إلى وعاء التسارع، حيث يُستخدم البخار المتسارع منخفض الضغط لتسخين الهواء البارد المدخل إلى البطارية عبر لفائف الصقيع (المسخن المبدئي). المساحة السطحية لقسم المسخن المبدئي، ودرجة الحرارة المنخفضة نسبيًا للهواء الداخل، تعني أن البخار المتسارع منخفض الضغط يتكثف بسهولة.

اعتمادًا على درجات حرارة التشغيل، سيتكثف البخار المتسارع عند ضغط منخفض، ربما حتى تحت الجوي. إذا سمحت ظروف الموقع وتخطيطه، يجب وضع وعاء التسارع وصمام البخار الذي يصرف المسخن المبدئي بما يكفي تحت منفذ مكثفات المسخن المبدئي لإعطاء رأس هيدروستاتيكي كافٍ لدفع المكثفات عبر الصمام. إذا لم يكن ذلك ممكنًا، يمكن استخدام صمامات الضخ لتصريف لفائف المسخن المبدئي ووعاء التسارع.

البخار المتكثف في المسخن المبدئي عند ضغط تحت الجوي سيتطلب عمومًا مانع تفريغ على إمداد البخار المتسارع إلى المسخن المبدئي. سيمنع ذلك الضغط في البطارية من أن يصبح تحت الجوي، مما يساعد على تدفق المكثفات إلى الصمام. يتم تصريف المكثفات من صمام المسخن المبدئي عن طريق الجاذبية. يُظهر الشكل 14.6.6 تطبيقًا حيث يُ 유지 نظام البخار المتسارع عند ضغط ثابت محدد بواسطة بخار يُغذّى من صمام تخفيض. يضمن ذلك مصدرًا موثوقًا من البخار للنظام منخفض الضغط إذا كان هناك نقص في البخار المتسارع لتلبية الحمل.

التطبيقات النموذجية للبخار المتسارع

تزامن عرض وطلب البخار المتسارع يؤدي هذا إلى أقصى استفادة من البخار المتسارع المتاح. بطارية سخانات الهواء المذكورة في الشكل 14.6.5 هي أحد هذه الأنظمة، لكن ترتيبات مماثلة عملية مع العديد من التطبيقات الأخرى مثل منشآت التدفئة الفضائية باستخدام الألواح المشعة أو السخانات الوحدوية. يصور الشكل 14.6.6 نظامًا حيث يُغذّى عدد من السخانات ببخار عالي الضغط. تُجمع المكثفات من حوالي 90% من السخانات وتُنقل إلى وعاء استرداد التسارع. يُغذّي هذا بخارًا منخفض الضغط إلى الـ 10% المتبقية من السخانات. بهذا النظام، ينخفض الإنتاج الحراري الكلي للنظام بشكل طفيف، حيث تعمل 10% من السخانات عند ضغط بخار أقل. ومع ذلك، من النادر العثور على منشأة ليس لديها هامش إنتاج كافٍ فوق الحمل الطبيعي لقبول هذا الانخفاض البسيط. أحيانًا تنشأ مشكلة حيث قد يتطلب استخدام البخار المتسارع المتاح أكثر من سخان واحد ولكن أقل من اثنين. من الأفضل في هذه الحالة توصيل سخانين بتغذية البخار المتسارع، بدلاً من تفريغ البخار المتسارع الزائد هباءً. سحخانان معًا سيسحبان عادة ضغط التسارع إلى مستوى أقل، حتى مستويات تحت الجوي. للتعامل مع ذلك، يمكن تعزيز إمداد البخار المتسارع بالبخار الحقيقي من صمام خفض الضغط.

مثال آخر حيث يكون العرض والطلب ‘متزامنًا’ هو مسخن المياه الساخنة المخزنة بالبخار. تتضمن بعضها لفائف ثانية، مثبتة بالقرب من قاع الوعاء بجوار حيث يدخل مياه التغذية الباردة.

المكثفات والبخار المتسارع من صمام اللفائف الأولية يُمرران مباشرة إلى اللفائف الثانوية. هنا، يتكثف أي بخار متسارع ناتج عن انخفاض الضغط عبر الصمام، بينما يحرر حرارته لمياه التغذية. ترتيب نموذجي موضح في الشكل 14.6.7.

مثال آخر لهذه الفكرة موضح في الشكل 14.6.8. هنا، مسخن مياه عادي بالبخار إلى ماء يصرف المكثفات عبر صمام عائم إلى مبادل حراري أنبوبي أصغر (يُسمى مكثف التسارع)، حيث يتكثف البخار المتسارع إلى مكثفات تحت التبريد. يُثبت الوحدة بحيث تكون أنابيب التدفق الثانوية على التوالي مع كل من المسخن والمكثف. يتيح ذلك تسخين مياه الإرجاع الثانوية مبدئيًا بواسطة المكثف، مما يقلل الطلب على البخار الحقيقي في المقام الأول.

إذا كانت المكثفات في مكثف التسارع من المحتمل أن تكون تحت الجوي، فإن مضخة ميكانيكية مطلوبة لرفع المكثفات إلى أي خط إرجاع أعلى. البخار الدافع المُستنزف من المضخة يتكثف هو نفسه في مكثف التسارع. يتحقق ضخ المكثفات بتكلفة تكاد تكون صفر. يجب مراعاة رأس ملء المضخة حيث يجب أن يكون أكبر من انخفاض الضغط عبر أنابيب مكثف التسارع تحت ظروف الحمل الكامل. رأس أدنى يبلغ 600 ملم سيحقق ذلك عادة.

عدم تزامن عرض وطلب البخار المتسارع الترتيب في الشكل 14.6.9 هو مثال على استرداد البخار المتسارع حيث لا يكون العرض والطلب دائمًا ‘متزامنًا’. المكثفات من ثلاثة أوعية ذات غلاف وجيب تصريف تطلق بخارًا متسارعًا، لكن لا يمكن استخدامه إلا لتعزيز إمداد البخار إلى منشأة التدفئة الفضائية. هذا مقبول تمامًا خلال موسم التدفئة، طالما أن حمل التدفئة يتجاوز توفر البخار المتسارع. خلال فصل الصيف لن تكون معدات التدفئة قيد الاستخدام، وحتى خلال الربيع والخريف قد لا يكون حمل التدفئة قادرًا على استخدام كل البخار المتسارع المتاح. الترتيب ليس مثاليًا، على الرغم من أن توفير البخار خلال الشتاء قد يبرر تكلفة معدات استرداد البخار المتسارع. أحيانًا يجب تفريغ البخار المتسارع الزائد في الغلاف الجوي، وكما هو موضح، فإن صمام الفائض أكثر ملاءمة لهذا الغرض من صمام الأمان، الذي عادة ما يكون له فعل ‘انبجاس’ أو ‘تشغيل/إيقاف’ وترتيب مقعد مصمم لتشغيل غير متكرر. يُضبط صمام الفائض بحيث يبدأ في الفتح قليلًا فوق الضغط الطبيعي في النظام. عندما ينخفض حمل التدفئة ويبدأ الضغط في النظام في الارتفاع، يُغلق صمام خفض الضغط الذي يُغذّي البخار التعويضي. يُسمح بزيادة إضافية في الضغط، ربما 0.15 إلى 0.2 بار، قبل أن يبدأ صمام الفائض في الفتح لإطلاق البخار المتسارع الزائد. قد يظل صمام الأمان مطلوبًا إذا فشل صمام الفائض. يجب ضبطه للانفتاح عند ضغط بين ضغط ضبط صمام الفائض وضغط تصميم النظام. من المناسب عادة تركيب صمام الأمان على وعاء التسارع. أحيانًا، خلال ظروف الصيف قد يكون من الأفضل تحويل مسار نظام التسارع بصمام يدوي (غير موضح في الشكل 14.6.9). ستمر المكثفات وبخارها المتسارع المرتبط بها مباشرة إلى مستقبل المكثفات، حيث سيُطلق البخار المتسارع في الغلاف الجوي.

تطبيقات استرداد حرارة نفخ الغلاية النفخ المستمر لماء الغلاية ضروري للتحكم في مستوى المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) داخل الغلاية. يُتيح النفخ المستمر استرداد المحتوى الحراري لماء النفخ ويمكن من تحقيق توفير كبير. يحتوي نفخ الغلاية على كميات هائلة من الحرارة، التي يمكن استردادها بسهولة كبخار متسارع. بعد مرورها عبر صمام التحكم بالنفخ، يتدفق الماء منخفض الضغط إلى وعاء التسارع. عند هذه النقطة، يكون البخار المتسارع خالٍ من التلوث ومفصولًا عن المكثفات، ويمكن استخدامه لتسخين خزان تغذية الغلاية (انظر الشكل 14.6.10). يمكن تمرير المكثفات المتبقية المنقولة من وعاء التسارع عبر مبادل حراري صفيفي لاسترداد أكبر قدر ممكن من الحرارة قبل التخلص منها. يمكن استرداد ما يصل إلى 80% من إجمالي الحرارة الموجودة في النفخ المستمر للغلاية بهذه الطريقة.

تكثيف بالرذاذ أخيرًا، يجب مراعاة الحالات التي يُنشأ فيها البخار المتسارع بشكل لا مفر منه عند ضغط منخفض، ولكن لا يوجد حمل مناسب يمكنه الاستفادة منه. بدلاً من بسيط تفريغ البخار المتسارع هباءً، يمكن تبني الترتيب في الشكل 14.6.11 غالبًا. يمكن أن يكون هذا الترتيب مفيدًا حيث لا يمكن توصيل فتحة تهوية مستقبل المكثفات بالخارج، وحيث يكون وجود البخار المتسارع ضارًا إذا تُرك ليُفرغ في غرفة المعدات. يُثبت غرفة من الستانلس ستيل خفيفة الوزن على فتحة تهوية خزان المستقبل. يُرش الماء البارد في الغرفة بكميات كافية لتكثيف البخار المتسارع فقط. يُتحكم في تدفق ماء التبريد بتحكم حراري ذاتي بسيط، مُعدَّل بحيث تظهر كمية قليلة من البخار المتسارع من فتحة التهوية. يستخدم العملية حوالي 6 كيلوغرامات من ماء التبريد لكل كيلوغرام من البخار المتسارع المتكثف. إذا كان ماء التبريد من جودة تغذية الغلاية، يُضاف الماء المُدفأ إلى المكثفات في المستقبل وإعادة استخدامه. سيستمر هذا في تحقيق توفير المياه طوال العام. إذا لم يكن ماء التبريد مناسبًا للاسترداد، يمكن تركيب أنابيب الرذاذ كما هو موضح بالترتيب المتقطع. ستسقط مياه التبريد والبخار المتسارع المتكثف إلى الهدر.