الفواصل

البخار ‘المبتل’ مصدر قلق رئيسي في نظام البخار لأنه قد يُسبب مشاكل في العمليات والصيانة، بما في ذلك انخفاض الإنتاجية والتآكل والصدأ. تُصمَّم الفواصل لإزالة الرطوبة من تدفق البخار بكفاءة. تُناقَش هنا تطبيقات واختيار الأنواع المختلفة.

البخار المبتل هو بخار يحتوي على نسبة من الماء، وهو أحد المخاوف الرئيسية في أي نظام بخار. يمكن أن يُقلل من إنتاجية المحطة وجودة المنتج، ويُسبب تلفًا لمعظم عناصر المعدات والمعدات. في حين أن التصريف الدقيق وصمامات البخار يمكنها إزالة معظم الماء، إلا أنها لن تعالج قطرات الماء المعلقة في البخار. لإزالة قطرات الماء المعلقة هذه، تُثبَّت الفواصل في خطوط أنابيب البخار.

البخار المُنتَج في غلاية مُصمَّمة لإنتاج بخار مشبع مبتل بطبيعته. على الرغم من أن كسر الجفاف يتنوع حسب نوع الغلاية، فإن معظم الغلايات الأنبوبية الغلافية تُنتج بخارًا بكسر جفاف بين 95 و 98%. تزداد نسبة محتوى الماء في البخار المُنتَج بواسطة الغلاية further إذا حدثت الرغوة والحمل الزائد. هناك دائمًا درجة معينة من فقدان الحرارة من أنابيب التوزيع، مما يُسبب تكاثف البخار. جزيئات الماء المتكاثفة ستميل eventually إلى قاع الأنبوب مُشكِّلة فيلمًا من الماء. البخار المتدفق فوق هذا الماء يمكن أن يُثير تمويجات تتراكم لتكوّن موجات. تميل أطراف الموجات إلى الانفصال، مُقذِفة قطرات من المكثفات في تدفق البخار. وجود الماء في البخار قد يُسبب عددًا من المشاكل:

• بما أن الماء حاجز فعال للغاية لنقل الحرارة، يمكن أن يُقلل وجوده من إنتاجية المحطة وجودة المنتج. يمكن ملاحظة هذا في الشكل 12.5.1، الذي يُظهر الملف الحراري عبر سطح تبادل حراري نمطي.

• قطرات الماء المُسافرة بسرعات بخار عالية ستأكل مقاعد الصمامات والتجهيزات، وهي حالة تُعرف بالرسم السلكي. ستزيد قطرات الماء أيضًا من مقدار الصدأ.
• زيادة تكوين القشور على الأنابيب وأسطح التسخين من الشوائب المحمولة في قطرات الماء.
• تشغيل غير منتظم لصمامات التحكم وعوامات التدفق.
• فشل صمامات وعوامات التدفق بسبب التآكل السريع أو المطرقة المائية. على الرغم من وجود عدد من التصاميم المختلفة للفواصل، فإنها جميعًا تُحاول إزالة الرطوبة المعلقة في تدفق البخار، والتي لا يمكن إزالتها بالتصريف وصمامات البخار. هناك ثلاثة أنواع من الفواصل شائعة الاستخدام في أنظمة البخار:

نوع الحواجز -

يتكون فاصل الحواجز أو نوع الريش من عدد من الألواح الحائلة، التي تُسبب تغيير اتجاه التدفق عدة مرات أثناء مروره عبر جسم الفاصل. قطرات الماء المعلقة لها كتلة أكبر وقصور ذاتي أكبر من البخار؛ لذا، عند تغيير اتجاه التدفق، يتدفق البخار الجاف حول الحواجز وتتجمع قطرات الماء على الحواجز. furthermore، بما أن للفاصل مساحة مقطع عرضي كبيرة، هناك انخفاض ناتج في سرعة السائل. هذا يُقلل من الطاقة الحركية لقطرات الماء، ومعظمها سيسقط من التعليق. يتجمع المكثف في أسفل الفاصل، حيث يُصرَف عبر صمام بخار.

نوع الأعاصير -

يستخدم فاصل الأعاصير أو نوع الجاذبية المركزية سلسلة من الزعانف لإنشاء تدفق أعصاري عالي السرعة. سرعة البخار تُسبب دورانه حول جسم الفاصل، مُقذِفة الماء الأثقل المُعلق إلى الجدار، حيث يُصرَف إلى صمام بخار مُثبَّت تحت الوحدة.

نوع الالتحام -

توفر فواصل نوع الالتحام عائقًا في مسار البخار. العائق عادة شبكة سلكية (تُسمى أحيانًا وسادة إزالة الضباب)، تعلق عليها جزيئات الماء. تميل جزيئات الماء هذه إلى الالتحام، مُنتِجة قطرات كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع النظام الغازي حملها further. مع زيادة حجم القطرات، تصبح ثقيلة جدًا وتسقط eventually إلى أسفل الفاصل. من الشائع العثور على فواصل تجمع بين عمليتي الالتحام والأعاصير. بدمج الطريقتين، تتحسن الكفاءة الإجمالية للفاصل.

كفاءة الفاصل هي مقياس لوزن الماء المُنفَّص بالنسبة للوزن الكلي للماء المحمول بواسطة البخار. خارج المختبر، من الصعب تحديد الكفاءة الدقيقة لفاصل، حيث تعتمد على كسر جفاف المدخل وسرعة السائل ونمط التدفق. تآكل انحناءات الأنابيب والرسم السلكي والمطرقة المائية هي however مؤشرات على وجود بخار مبتل في أنابيب البخار.

أحد الاختلافات الرئيسية في الأداء بين نوع الحواجز وأنواع الأعاصير والالتحام هو أن نوع الحواجز قادر على الحفاظ على مستوى عالٍ من الكفاءة عبر نطاق سرعات أنابيب أوسع. فواصل الأعاصير والالتحام عادة تُظهر كفاءات 98% عند سرعات تصل إلى 13 م/ث، لكنها تنخفض بشكل حاد، وعند 25 م/ث، تكون الكفاءة عادة حوالي 50%، وفقًا لأبحاث جامعية في المملكة المتحدة. أثبتت هذه الأبحاث أيضًا أنه بالنسبة لفاصل نوع الحواجز، تبقى الكفاءة قريبة من 100% عبر نطاق من 10 م/ث إلى 30 م/ث. الاستنتاج هو أن فاصل نوع الحواجز أكثر ملاءمة لتطبيقات البخار، حيث يوجد عادة بعض التقلبات في السرعة. furthermore، سيعمل البخار المبتل بسرعات تزيد عن 30 م/ث إذا كانت الأنابيب صغيرة الحجم. إحدى طرق التغلب على هذه المشكلة هي استخدام فاصل بحجم أكبر وزيادة قطر الأنابيب مباشرة قبل الفاصل. سيكون لهذا التأثير تقليل سرعة البخار قبل دخوله الفاصل.

المثال 12.5.1

إذا رُكِّب فاصل بكفاءة 90% على خط بخار رئيسي يحتوي بخارًا بكسر جفاف 0.95، ما سيكون كسر الجفاف في المصب؟ إذا كان كسر الجفاف الأولي 0.95، كل كيلوغرام (1000 غرام) من البخار يحتوي:

على الرغم من التحسن مقارنة بالجفاف الأصلي 0.95، سيظل البخار يحتوي على كمية ملحوظة من الماء.

انخفاض الضغط عبر فاصل نوع الحواجز منخفض جدًا بسبب تقليل سرعة البخار، المُنشأة من الزيادة الكبيرة في المساحة المقطعية التي يوفرها جسم الفاصل. يكون انخفاض الضغط عادة أقل من الطول المكافئ لأنبوب بنفس القطر الاسمي. بالمقارنة، انخفاض الضغط عبر فاصل نوع الأعاصير أعلى somewhat، حيث يجب الحفاظ على سرعة السائل لإنشاء تأثير الأعاصير. في التطبيقات غير الحرجة، عادة يُحجَّم فاصل نوع الحواجز وفقًا لحجم خط الأنابيب؛ من الضروري however التحقق من أن الحجم المُختار يضمن أقصى كفاءة فصل، وأن انخفاض الضغط ضمن الحدود المقبولة. في التطبيقات الحرجة، من الأكثر شيوعًا اختيار الفاصل بناءً على ضغط التشغيل ومعدل التدفق، لإعطاء كفاءة وانخفاض ضغط مناسبين. تحجيم فاصل نوع الأعاصير أكثر تعقيدًا، حيث من المهم التأكد من أن السرعة عبر الفاصل مناسبة للحفاظ على مستوى عالٍ من الكفاءة وأن انخفاض الضغط عبر الفاصل مقبول. يُحدد المثال 12.5.2 اختيار فاصل نوع الحواجز من مخطط مواصفات مُصنِّع نمطي.

المثال 12.5.2

باستخدام مخطط التحجيم في الشكل 12.5.5، اختر فاصل بحجم مناسب لمحطة خفض ضغط، بضغط منبعي يبلغ 12 بار ضغط معياري وتمرير 500 كجم/ساعة من البخار عبر خط أنابيب بقطر 32 مم. إذا تضاعف معدل التدفق إلى 1000 كجم/ساعة، ما حجم الفاصل الذي يجب استخدامه؟

1. ارسم النقطة أ حيث يتقاطع ضغط البخار ومعدل التدفق وارسم خطًا أفقيًا من هذه النقطة. أي منحنٍ للفاصل يقطعه هذا الخط داخل المنطقة المظللة سيعمل بكفاءة قريبة من 100%.
2. اختر فاصل بحجم الخط، أي 32 مم عند النقطة ب.
3. يمكن تحديد سرعة الخط لأي حجم بإنزال خط عمودي من نقطة التقاطع هذه. من النقطة ب، يقطع هذا الخط محور السرعة عند 18 م/ث.
4. لتحديد انخفاض الضغط عبر الفاصل، حيث يقطع الخط العمودي الممتد من النقطة ب الخط ج-ج، ارسم خطًا أفقيًا. ثم أنزل خطًا عموديًا من النقطة أ. نقطة التقاطع، د، هي انخفاض الضغط عبر الفاصل.
5. تكرار هذه الإجراءات لمعدل تدفق 1000 كجم/ساعة، يُنتج النقاط س، ص، وع. يمكن ملاحظة أن النقطة ص تقع خارج المنطقة المظللة ولن يعمل الفاصل بأقصى كفاءة. هنا، سيكون من المستحسن استخدام فاصل بحجم أكبر؛ يُختار فاصل DN40، كما هو موضح بالنقطة ع، مع انخفاض ضغط يبلغ حوالي 0.07 بار عند النقطة و.

يُلخص الجدول 12.5.1 الاختلافات المهمة في أداء فواصل الحواجز والأعاصير.

الجدول 12.5.1 مقارنة بين فواصل الحواجز والجاذبية المركزية

يجب تركيب صمام بخار مناسب على مخرج المكثفات للفاصل لضمان إزالة فعالة للمكثفات، دون فقدان بخار حي. النوع الأكثر ملاءمة من صمامات البخار هو نوع الكرة العائمة، الذي يضمن إزالة فورية للمكثفات. تتضمن بعض الفواصل آلية صمام البخار داخل جسم الفاصل.

معظم الفواصل العمودية لها صنبور أعلى الجسم. يمكن استخدامه لفتحة هواء، مما يُسهّل إزالة الهواء من مساحة البخار أثناء بدء التشغيل.

العوازل

إذا تُرك فاصل بلا عزل، يمكن أن يُسبب تكوّن قطرات ماء rather من إزالتها، بسبب المساحة السطحية الكبيرة المعرَّضة للبيئة. furthermore، يمكن أن تُفقد كميات كبيرة من الطاقة الحرارية من سطح الفاصل. على سبيل المثال، عزل فاصل يحتوي بخارًا عند 150 درجة مئوية ومعرَّض لدرجات حرارة محيطية 15 درجة مئوية، سيُنتج وفورات طاقة سنوية تبلغ 8600 ميجا جول (بناءً على فقدان الحرارة بسبب الإشعاع فقط، بافتراض ظروف هواء ساكن و 8760 ساعة تشغيل سنويًا). بتركيب غلاف عزل، يمكن تقليل فقدان الحرارة هذا بشكل كبير ووفورات الطاقة تُبرر التكلفة الأولية للعزل، في وقت قصير للغاية. يجب استخدام أغطية عزل مُصمَّمة لتناسب فاصل محدد، حيث شكل الفاصل، خاصة إذا كان ذا فلانجات، يجعل العزل صعبًا. أغطية الفلانجات القياسية تُترك الجسم معرَّضًا، ولذلك يكون لها تأثير محدود في تقليل فقدان الحرارة. حتى مع أفضل عزل، لا يمكن إزالة كل فقدان الحرارة من منتج. كفاءة عزل الفاصل عادة فوق 90%. من المهم استخدام غلاف مُصمَّم لفاصل محدد؛ وإلا ستقل كفاءة العزل. الفواصل المُعزولة بشكل صحيح تُقلل أيضًا من خطر الإصابات الشخصية من الحروق.