نظرية إزالة التسخين الأساسية

يتمتع البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع بمزايا مهمة في تطبيقات معينة، على سبيل المثال عند استخدامه في محطات الطاقة لتشغيل التوربينات. ومع ذلك، للاستخدام الفعّال في تطبيقات التدفئة، يجب إزالة تسخين البخار. يغطي هذا الدرس نظرية إزالة التسخين الأساسية والحسابات.

البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع هو بخار يكون عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة التشبع لضغط البخار. على سبيل المثال، البخار عند ضغط 3 بار قياسي له درجة حرارة تشبع 143.762 درجة مئوية. إذا أُضيفت حرارة إضافية إلى هذا البخار وبقي الضغط عند 3 بار قياسي، سيصبح مُسخَّناً فوق درجة التشبع. تُنتج هذه الحرارة الإضافية بخاراً:

• أعلى من درجة حرارة التشبع.
• يحتوي على طاقة أكبر من البخار المشبع.
• حجمه النوعي أكبر من البخار المشبع. العلاقات بين هذه الخصائص الثلاثة موثقة جيداً ويمكن العثور عليها في معظم النصوص المتعلقة بالخصائص الديناميكية الحرارية للبخار. يُستخدم البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع بشكل أساسي في محطات توليد الطاقة بوصفه القوة الدافعة للتوربينات. يُوضِّح مراجعة دورة رانكن الغازية أنه بالنسبة لتشغيل التوربينات، يكون البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع أكثر كفاءة حرارية من البخار المشبع.

يترتب على تسخين البخار فوق درجة التشبع مزايا إضافية مهمة:

• البخار الرطب داخل التوربين سيؤدي إلى قطرات ماء وتآكل شفرات التوربين، فضلاً عن زيادة الاحتكاك.
• يمكن استخدام سرعات أعلى في خطوط الأنابيب (تصل إلى 100 متر/ثانية). هذا يعني أن أنابيب توزيع أصغر يمكن استخدامها (شريطة ألا يكون انخفاض الضغط مفرطاً).
• بالنسبة للمنشآت العاملة باستمرار، يعني البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع عدم وجود تكثيف في الأنابيب، وبالتالي، فإن الحاجة إلى مصائد البخار تقتصر فقط على مرحلة بدء التشغيل.

لاستخدام البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع عدد من العيوب:

على الرغم من أن البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع يحتوي على كمية كبيرة من الطاقة الحرارية، إلا أن هذه الطاقة تكون في ثلاثة أشكال؛ بثالة الماء، وبثالة التبخر (الحرارة الكامنة) وبثالة التسخين فوق التشبع. الجزء الأكبر من الطاقة في بثالة التبخر، والطاقة في التسخين فوق التشبع تمثل نسبة أصغر. على سبيل المثال، خذ بخاراً مُسخَّناً فوق درجة التشبع عند 10 بار مطلق و300 درجة مئوية، فإن:

بثالة الماء = 763 كيلوجول/كجم

بثالة التبخر = 2 015 كيلوجول/كجم

بثالة التسخين فوق التشبع = 274 كيلوجول/كجم

• معامل انتقال الحرارة عند استخدام البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع بوصفه وسط تسخين متغير ومنخفض وصعب تحديده بدقة. هذا يجعل الحجم الدقيق والتحكم في معدات نقل الحرارة صعباً، كما سيؤدي إلى مبادل حراري أكبر وأكثر تكلفة. بمجرد تبريد البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع إلى درجة حرارة التشبع، يزداد معامل انتقال الحرارة بشكل كبير، ودرجة حرارة تكثيف البخار إلى ماء تكون ثابتة. يساعد ذلك بشكل كبير في الحجم الدقيق والتحكم في معدات نقل الحرارة. وجود معاملات انتقال حرارة عالية مرتبطة بالبخار المشبع يؤدي إلى مبادلات حرارية أرخص وأصغر من تلك التي تستخدم البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع.
• بعض العمليات (مثل أعمدة التقطير) تعمل بكفاءة أقل عند تغذيتها بالبخار المُسخَّن فوق درجة التشبع.
• درجات الحرارة العالية للبخار المُسخَّن فوق درجة التشبع قد تعني الحاجة إلى معدات أعلى تصنيفاً وبالتالي أكثر تكلفة.
• درجة الحرارة العالية للبخار المُسخَّن فوق درجة التشبع قد تُلحق ضرراً بالمعدات الحساسة. هذه العيوب تعني أن البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع غير مرغوب عموماً لتطبيقات العمليات الحرارية. ومع ذلك، توجد مواقع يُنتَج فيها بخار مُسخَّن فوق درجة التشبع لتوليد الطاقة، ومن المنطقي اقتصادياً إزالة تسخين بعض هذا البخار من نقطة ما في دورة توليد الطاقة، ثم استخدامه لتطبيقات العمليات. (مزيد من المعلومات عن البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع يمكن العثور عليها في الوحدة 2.3).

توجد أيضاً مواقع تُستخدم فيها كميات كبيرة من النفايات كوقود للغلاية. إذا كانت كمية النفايات كبيرة بما فيه الكفاءة، فقد يُنتَج بخار مُسخَّن فوق درجة التشبع لتوليد الطاقة.

أمثلة على هذا النوع من المنشآت يمكن العثور عليها في صناعات صناعة الورق وتكرير السكر.

في المنشآت التي يكون فيها بخار مُسخَّن فوق درجة التشبع متاحاً للاستخدام في العمليات، من المنطقي توزيع البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع إلى نقاط بعيدة في المنشأة، لأن ذلك سيضمن أن البخار يبقى جافاً.

يصبح هذا مهماً إذا كانت هناك أطوال طويلة من الأنابيب تفصل بين نقطة الإنتاج ونقطة الاستخدام.

إزالة تسخين البخار الأساسية

إزالة التسخين هي العملية التي يُعاد بها البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع إلى حالته المشبعة، أو يُنقَّص بها درجة حرارة التسخين فوق التشبع. معظم أجهزة إزالة التسخين المستخدمة لاستعادة الحالة المشبعة تُنتج درجات حرارة صرف تقترب من التشبع (عادةً في حدود 3 درجات مئوية من درجة حرارة التشبع كحد أدنى). يمكن أيضاً تصميم درجات حرارة صرف تتجاوز 3 درجات مئوية فوق التشبع وغالباً ما تُستخدم. هناك نوعان رئيسيان من أجهزة إزالة التسخين:

• النوع غير المباشر - الوسط المستخدم لتبديد حرارة البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع لا يلامسه مباشرة. يمكن استخدام سائل أو غاز أبرد بوصفه وسط التبريد، مثلاً الهواء المحيط. أمثلة على هذا النوع من أجهزة إزالة التسخين هي مبادلات الحرارة الأنبوبية القشرية. هنا يُغذَّى البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع إلى جانب واحد من المبادل الحراري ويُغذَّى وسط أبرد إلى الجانب الآخر. أثناء مرور البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع عبر المبادل الحراري، تُفقَد الحرارة من البخار وتكتسبها وسيلة التبريد. يمكن التحكم في درجة حرارة البخار المُزال تسخينه إما بضغط البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع الداخل أو بمعدل تدفق مياه التبريد. لا يكون التحكم في تدفق البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع لهذا الغرض عملياً عادةً وتُعدَّل معظم الأنظمة تدفق وسيلة التبريد.
• النوع المباشر - الوسط المستخدم لتبديد حرارة البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع يلامسه مباشرة. في معظم الحالات، يكون وسيلة التبريد هي نفس السائل المُراد إزالة تسخينه، ولكن في حالته السائلة. على سبيل المثال، في حالة أجهزة إزالة تسخين البخار، يُستخدم الماء. يُوضِّح الشكل 15.1.3 محطة إزالة تسخين مباشرة نموذجية. عندما يعمل جهاز إزالة التسخين، تُضاف كمية مقاسة من الماء إلى البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع عبر ترتيب مزج داخل جهاز إزالة التسخين. عند دخوله، يتبخر مياه التبريد عن طريق امتصاص الحرارة من البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع. وبالتالي، تنخفض درجة حرارة البخار.

يتحقق التحكم في كمية الماء المُضاف عادةً بقياس درجة حرارة البخار المتدفق بعد جهاز إزالة التسخين. تكون درجة حرارة الضبط للبخار المُزال تسخينه عادةً 3 درجات مئوية فوق درجة التشبع. لذلك، في مثل هذه الترتيبات يجب الحفاظ على ضغط دخول البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع ثابتاً.

حسابات إزالة التسخين

يجب أن تكون كمية الماء المُضاف كافية لتبديد حرارة البخار إلى درجة الحرارة المطلوبة؛ ماء أقل من اللازم لن يبرد البخار بما فيه الكفاية، وماء أكثر من اللازم سيُنتج بخاراً مبللاً سيحتاج إلى التجفيف عبر فاصل.

باستخدام المعادلة 15.1.1، المبنية على حفظ الطاقة، يمكن تحديد حاجة وسيلة التبريد بسهولة وسرعة: المثال 15.1.1 حدد معدل تدفق مياه التبريد المطلوب للظروف في الجدول التالي:

الحل:

يمكن الحصول على المعلومات اللازمة أو استكمالها بالتقريب من جداول البخار الورقية؛ وتُوضِّح الاستخراجات ذات الصلة في الجدول 15.1.1 والجدول 15.1.2. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام جداول البخار عبر الإنترنت من Spirax Sarco. لذلك المعلومات المطلوبة لتلبية المعادلة 15.1.1 هي:

m_dot - body text.jpgs = معدل تدفق البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع = 10 000 كجم/ساعة

hs = البثالة عند حالة التسخين فوق التشبع (من جداول البخار 300 درجة مئوية عند 10 بار مطلق) = 3 052 كيلوجول/كجم

hcw = بثالة وسيلة التبريد = 4.2 كيلوجول/كجم درجة مئوية × 150 درجة مئوية = 630 كيلوجول/كجم

تحديد البثالة عند حالة إزالة التسخين، hd:

من جداول البخار، درجة حرارة التشبع (Ts) عند 10 بار مطلق هي 180 درجة مئوية، therefore عند حالة إزالة التسخين المطلوبة، ستكون درجة الحرارة:

Ts + 5 درجة مئوية = 185 درجة مئوية

بالتقريب بين بثالة البخار عند 10 بار مطلق ودرجة حرارة التشبع، وعند 10 بار مطلق و200 درجة مئوية:

البثالة عند 10 بار مطلق، Ts (جدول البخار المشبع) = 2 778 كيلوجول/كجم

البثالة عند 10 بار مطلق، 200 درجة مئوية (جدول البخار المُسخَّن فوق التشبع) = 2 829 كيلوجول/كجم

بالتقريب للبثالة عند 10 بار مطلق و185 درجة مئوية: أخيراً، تطبيق المعادلة 15.1.1: لاحظ أن البخار المُزال تسخينه يُغذَّى بمعدل: 10 000 + 1 208 كجم/ساعة = 11 208 كجم/ساعة

يُغذَّى بمعدل:

10 000 + 1 208 كان المطلوب 10 000 كجم/ساعة من البخار المُزال تسخينه، يمكن تحديد معدل تدفق البخار المُسخَّن فوق درجة التشبع الأولي باستخدام طريقة تناسبية بسيطة: