حلقة البخار والمكثف

كيف يتم إنتاج البخار وتوزيعه والتحكم فيه واستخدامه؟ كيف يُعاد تدوير المكثف؟ نظرة عامة أساسية على نظام البخار.

تهدف هذه الوحدة من حلقة البخار والمكثف إلى تقديم نظرة عامة غير تقنية مختصرة عن مصنع البخار. تقدم شرحاً شاملاً لكيفية ترابط أجزاء مصنع البخار المختلفة ببعضها البعض - وتُعد قراءة مفيدة لأي شخص غير مألوف بالموضوع، قبل الانتقال إلى الوحدة التالية، أو قبل القيام بأي شكل من أشكال الدراسة التفصيلية لنظرية البخار أو معدات مصنع البخار.

بيت الغلاية

الغلاية الغلاية هي قلب نظام البخار. تعمل الغلاية الحديثة المُعبأة النموذجية بمشعل يرسل الحرارة إلى أنابيب الغلاية. تمر الغازات الساخنة من المشعل ذهاباً وإياباً حتى 3 مرات عبر سلسلة من الأنابيب لتحقيق أقصى انتقال للحرارة عبر أسطح الأنابيب إلى ماء الغلاية المحيط. بمجرد وصول الماء إلى درجة حرارة التشبع (درجة الحرارة التي يغلي عندها عند ذلك الضغط)، تتشكل فقاعات بخار ترتفع إلى سطح الماء وتنفجر. يُحرَّر البخار إلى المساحة أعلاه، جاهزاً للدخول إلى نظام البخار. يعزل الصمام التاجي الغلاية وضغط البخار فيها عن العملية أو المنشأة. إذا ضُغط البخار، فسيشغل حجم أقل. تُشغَّل غلايات البخار عادة تحت ضغط، بحيث يمكن إنتاج المزيد من البخار بغلاية أصغر ونقله إلى نقطة الاستخدام باستخدام أنابيب ذات قطر صغير. عند الحاجة، يُخفَّض ضغط البخار عند نقطة الاستخدام. طالما أن كمية البخار المنتجة في الغلاية مساوية لتلك التي تخرج من الغلاية، ستبقى الغلاية مضغوطة. سيعمل المشعل للحفاظ على الضغط الصحيح. وهذا يحافظ أيضاً على درجة حرارة البخار الصحيحة، لأن ضغط ودرجة حرارة البخار المشبع مرتبطان مباشرة. تتضمن الغلاية مجموعة من التجهيزات وأدوات التحكم لضمان تشغيلها بشكل آمن واقتصادي وفعال وعند ضغط ثابت. ماء التغذية جودة المياه المُغذَّاة في الغلاية مهمة. يجب أن تكون عند درجة الحرارة الصحيحة، عادة حوالي 80 درجة مئوية، لتجنب الصدمة الحرارية للغلاية، والحفاظ على تشغيلها بكفاءة. كما يجب أن تكون الجودة الصحيحة لتجنب تلف الغلاية. المياه العادية غير المعالجة ليست مناسبة تماماً للغلايات ويمكن أن تسبب رغوة وتراكم الجير بسرعة. تصبح الغلاية أقل كفاءة ويصبح البخار متسخاً ورطباً. كما يُقلَّل عمر الغلاية. لذلك يجب معالجة المياه بالمواد الكيميائية لتقليل الشوائب التي تحتوي عليها. يحدث كلاً من معالجة ماء التغذية وتسخينه في خزان التغذية، الذي يقع عادة مرتفعاً فوق الغلاية. ستضيف مضخة التغذية الماء إلى الغلاية عند الحاجة. كما أن تسخين الماء في خزان التغذية يقلل من كمية الأكسجين المذاب فيه. وهذا مهم لأن المياه المؤكسدة تسبب تآكلاً. التفريغ يؤدي الحقن الكيميائي لماء تغذية الغلاية إلى وجود مواد عالقة في الغلاية. ستتجمع هذه حتماً في قاع الغلاية على شكل رواسب، وتُزال عبر عملية تُعرف بالتفريغ السفلي. يمكن أن يتم هذا يدوياً - سيستخدم عامل الغلاية مفتاحاً لفتح صمام التفريغ لفترة زمنية محددة، عادة مرتين يومياً. تبقى شوائب أخرى في ماء الغلاية بعد المعالجة على شكل مواد مذابة. ستزداد تركيزاتها مع إنتاج الغلاية للبخار وبالتالي تحتاج الغلاية إلى تفريغ جزء من محتواها بانتظام لتقليل التركيز. يُسمى هذا التحكم في إجمالي المواد المذابة (التحكم في TDS). يمكن إجراء هذه العملية بنظام آلي يستخدم إما مسبار داخل الغلاية، أو غرفة حساس صغيرة تحتوي على عينة من ماء الغلاية، لقياس مستوى TDS في الغلاية. بمجرد وصول مستوى TDS إلى نقطة الضبط، يُرسل المُتحكِّم إشارة إلى صمام التفريغ للفتح لفترة زمنية محددة. يُستبدَّل الماء المفقود بماء تغذية ذي تركيز TDS أقل، وبالتالي يُقلَّل إجمالي TDS في الغلاية. التحكم في مستوى السوائل إذا لم يُتحكم بعناية في مستوى الماء داخل الغلاية، فقد تكون العواقب كارثية. إذا انخفض مستوى الماء بشكل كبير وتكشّفت أنابيب الغلاية، فقد ترتفع حرارة أنابيب الغلاية وتفشل، مما يسبب انفجاراً. إذا أصبح مستوى الماء مرتفعاً جداً، فقد يدخل الماء إلى نظام البخار ويُربك العملية. لهذا السبب، تُستخدم أنظمة التحكم الآلي في المستوى. للامتثال للتشريعات، تتضمن أنظمة التحكم في المستوى أيضاً وظائف إنذار تعمل على إيقاف تشغيل الغلاية وتنبيه الانتباه إذا كانت هناك مشكلة في مستوى الماء. طريقة شائعة للتحكم في المستوى هي استخدام مسابير تكشف مستوى الماء في الغلاية. عند مستوى معين، يُرسل المُتحكِّم إشارة إلى مضخة التغذية التي ستعمل لاستعادة مستوى الماء، وتتوقف عند الوصول إلى مستوى مُحدد مسبقاً. يتضمن المسبار مستويات يتم عندها تشغيل وإيقاف المضخة، ومستويات تُفعَّل عندها إنذارات المستوى المنخفض أو المرتفع. تستخدم أنظمة بديلة عوامات.

تدفق البخار إلى المنشأة

عندما يتكثف البخار، ينخفض حجمه بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض محلي في الضغط. يُخلق هذا الانخفاض في الضغط عبر النظام تدفق البخار عبر الأنابيب. يجب نقل البخار المُنتَج في الغلاية عبر الأنابيب إلى المكان المطلوب فيه طاقته الحرارية. في البداية سيكون هناك أنابيب رئيسية واحدة أو أكثر تحمل البخار من الغلاية في الاتجاه العام نحو المنشأة المستخدمة للبخار. ثم يمكن لأنابيب فرعية أصغر توزيع البخار على المعدات الفردية. يشغل البخار عند ضغط عالٍ حجماً أقل من الضغط الجوي. كلما زاد الضغط، قلّ قطر الأنبوب المطلوب لتوزيع كتلة بخار معينة. جودة البخار من المهم ضمان أن البخار المُخرَج من الغلاية يُوصَّل إلى العملية بالحالة الصحيحة. لتحقيق ذلك، تتضمن الأنابيب التي تحمل البخار حول المنشأة عادة مصافٍ وفواصل ومصائد بخار. المصفي هو نوع من الغربال في خط الأنابيب. يحتوي على شبكة يجب أن يمر عبرها البخار. أي حطام مار ستُحتفظ به الشبكة. يجب تنظيف المصفي بانتظام لتجنب الانسداد. يجب إزالة الحطام من تدفق البخار لأنه قد يكون ضاراً جداً بالمنشأة، وقد يلوث المنتج النهائي. يجب أن يكون البخار جافاً قدر الإمكان لضمان حمله للحرارة بفعالية. الفاصل هو جسم في خط الأنابيب يحتوي على سلسلة من الألواح أو الحواجز التي تعترض مسار البخار. تصطدم الألواح بالبخار، وأي قطرات رطوبة في البخار تتجمع عليها، قبل التصريف من أسفل الفاصل. يمر البخار من الغلاية إلى الخطوط الرئيسية. في البداية تكون الأنابيب باردة وتنتقل الحرارة إليها من البخار. كما أن الهواء المحيط بالأنابيب أبرد من البخار، لذا ستبدأ الأنابيب في فقدان الحرارة إلى الهواء. ستقلل العزل المُثبَّت حول الأنبوب من فقدان الحرارة هذا بشكل كبير. عندما يدخل البخار من نظام التوزيع إلى المعدات المستخدمة للبخار، سيتخلى البخار مرة أخرى عن طاقته عن طريق: أ) تسخين المعدات و) ب) الاستمرار في نقل الحرارة إلى العملية. مع فقدان البخار للحرارة، يتحول مرة أخرى إلى ماء. حتماً يبدأ البخار في القيام بذلك بمجرد خروجه من الغلاية. الماء الذي يتشكل يُعرف بالمكثف، وينساب عادة إلى قاع الأنبوب ويُحمل مع تدفق البخار. يجب إزالتها من أدنى النقاط في أنابيب التوزيع لعدة أسباب:

المكثف لا ينقل الحرارة بفعالية. طبقة من المكثف داخل المنشآت ستقلل من كفاءة نقل الحرارة.
عندما يذوب الهواء في المكثف، يصبح مُآكلاً.
المكثف المتراكم يمكن أن يسبب مطرقة ماء مزعجة ومضرة.
التصريف غير الكافي يؤدي إلى تسرب الوصلات. تُستخدم أداة تُعرف بمصيدة البخار لإطلاق المكثف من الأنابيب مع منع البخار من الهروب من النظام. ويمكنها القيام بذلك بعدة طرق:
مصيدة العوامة تستخدم الفرق في الكثافة بين البخار والمكثف لتشغيل صمام. عندما يدخل المكثف إلى المصيدة، ترتفع العوامة ويفتح آلية ذراع العوامة الصمام الرئيسي للسماح بتصريف المكثف. عندما ينخفض تدفق المكثف، تنخفض العوامة وتغلق الصمام الرئيسي، مما يمنع هروب البخار.
المصائد الديناميكية تحتوي على قرص يفتح للمكثف ويغلق للبخار.
في المصائد العلاجية ذات الفلز المزدوج، يستخدم العنصر ذو الفلز المزدوج الفرق في درجة الحرارة بين البخار والمكثف لتشغيل الصمام الرئيسي.
في المصائد العلاجية ذات الضغط المتوازن، تُشغّل كبسولة صغيرة مملوءة بالسائل الحساسة للحرارة الصمام. بمجرد استخدام البخار في العملية، يجب تصريف المكثف الناتج من المنشأة وإعادته إلى بيت الغلاية. ستتم مناقشة هذه العملية لاحقاً في هذه الوحدة. تخفيض الضغط كما ذُكر سابقاً، عادة ما يُنتَج البخار عند ضغط عالٍ، وقد يكون من الضروري تخفيض الضغط عند نقطة الاستخدام، إما بسبب قيود الضغط في المنشأة، أو قيود درجة الحرارة في العملية. يتحقق ذلك باستخدام صمام تخفيض الضغط.

البخار عند نقطة الاستخدام

توجد مجموعة كبيرة ومتنوعة من المنشآت المستخدمة للبخار. تُوصف بعض الأمثلة أدناه:

قدر مُبطَّن - قدر فولاذية أو نحاسية كبيرة تُستخدم في صناعات الأغذية وغيرها لغلي المواد - أي شيء من الروبيان إلى المربى. تُحيط هذه القدر الكبيرة بسترة مليئة بالبخار، تعمل على تسخين المحتويات.
معقم حراري (أوتوكلاف) - غرفة مشبعة بالبخار تُستخدم لأغراض التعقيم، مثلاً المعدات الطبية، أو لإجراء تفاعلات كيميائية عند درجات حرارة وضغوط عالية، مثلاً مطاط الإطارات.
بطارية سخان - لتدفئة الفراغات، يُغذَّى البخار إلى اللفائف في بطارية السخان. يمر الهواء المراد تسخينه فوق اللفائف.
تسخين خزان العمليات - لفافة مشبعة بالبخار في خزان سائل تُستخدم لتسخين المحتويات إلى درجة الحرارة المطلوبة.
م Vulcanizer - وعاء كبير مشبع بالبخار يُستخدم لعلاج المطاط.
مُموج (كورغاتور) - سلسلة من الأسطوانات المُسخَّنة بالبخار تُستخدم في عملية التموج في إنتاج الكرتون.
مبادل حراري - لتسخين السوائل للاستخدام المنزلي/الصناعي. التحكم في العملية تتطلب أي منشأة مستخدمة للبخار طريقة للتحكم في تدفق البخار. غالباً ما لا يكون التدفق المستمر للبخار عند نفس الضغط ودرجة الحرارة هو المطلوب - بل يلزم تدفق يتزايد تدريجياً عند بدء التشغيل لتسخين المنشأة بلطف، وبمجرد وصول العملية إلى درجة الحرارة المطلوبة، يجب تقليل التدفق. تُستخدم صمامات التحكم للتحكم في تدفق البخار. المُدار، انظر الشكل 1.3.6، هو الجهاز الذي يُطبِّق القوة لفتح الصمام أو إغلاقه. يراقب الحسَّاس الظروف في العملية، ويُرسل معلومات إلى المُتحكِّم. يقارن المُتحكِّم بين حالة العملية والقيمة المُعيَّنة ويُرسل إشارة تصحيحية إلى المُدار، الذي يُعدِّل إعداد الصمام.

توجد مجموعة متنوعة من أنواع التحكم:

الصمامات المُدارة هوائياً - يُطبَّق هواء مضغوط على غشاء في المُدار لفتح الصمام أو إغلاقه.
الصمامات المُدارة كهربائياً - يُشغّل محرك كهربائي الصمام.
ذاتية التحكم - لا يوجد مُتحكِّم كذالك - يحتوي الحسَّاس على ملء سائل يتمدد ويتقلص استجابةً لتغير درجة حرارة العملية. يُطبِّق هذا الإجراء القوة لفتح الصمام أو إغلاقه.

إزالة المكثف من المنشأة

غالباً، يُصرَف المكثف الذي يتشكل بسهولة من المنشأة عبر مصيدة بخار. يدخل المكثف إلى نظام تصريف المكثف. إذا كان مُلوَّثاً، فسيُرسَل على الأرجح إلى التصريف. إذا لم يكن كذلك، يمكن الاحتفاظ بالطاقة الحرارية القيّمة التي تحتوي عليها بإعادتها إلى خزان تغذية الغلاية. وهذا يوفر أيضاً على تكاليف المياه ومعالجتها. أحياناً قد يتشكل تفريغ داخل المنشأة المستخدمة للبخار. يُعيق ذلك تصريف المكثف، لكن التصريف الصحيح من فراغ البخار يحافظ على فعالية المنشأة. قد يضخ المكثف بعد ذلك. تُستخدم مضخات ميكانيكية (تعمل بالبخار) لهذا الغرض. تُستخدم هذه، أو المضخات الكهربائية، لرفع المكثف مرة أخرى إلى خزان تغذية الغلاية.

تُوضِّح مضخة ميكانيكية، انظر الشكل 1.3.7، تفريغ عنصر من المنشأة. كما يمكن رؤيته، يمثل نظام البخار والمكثف حلقة مستمرة.

بمجرد وصول المكثف إلى خزان التغذية، يصبح متاحاً للغلاية لإعادة التدوير. مراقبة الطاقة ****في بيئة واعية بالطاقة اليوم، من الشائع لدى العملاء مراقبة استهلاك الطاقة في منشآتهم. تُستخدم أجهزة قياس تدفق البخار لمراقبة استهلاك البخار، وتُستخدم ل分配 التكاليف على الأقسام الفردية أو عناصر المنشأة.