جودة البخار

يجب أن يكون البخار متاحًا عند نقطة الاستخدام بالكمية الصحيحة، وبالضغط الصحيح، نظيفًا وجافًا وخاليًا من الهواء والغازات غير القابلة للتكثيف الأخرى. يشرح هذا الدرس لماذا هو necessary، وكيف يتم ضمان جودة البخار.

الكمية الصحيحة من البخار

يجب توفير الكمية الصحيحة من البخار لأي عملية تسخين لضمان توفير تدفق حراري كافٍ لنقل الحرارة. بالمثل، يجب أيضًا توفير المعدل الصحيح للتدفق حتى لا يحدث تلف للمنتج أو انخفاض في معدل الإنتاج. يجب حساب أحمال البخار بشكل صحيح ويجب تحجيم الأنابيب بشكل صحيح لتحقيق المعدلات المطلوبة للتدفق.

الضغط ودرجة الحرارة الصحيحين للب​خار

يجب أن يصل البخار إلى نقطة الاستخدم عند الضغط المطلوب ويوفّر درجة الحرارة المطلوبة لكل تطبيق، وإلا ستتأثر الأداء. ضمان تحجيم الأنابيب وملحقاتها بشكل صحيح سيتحقق من ذلك. ومع ذلك، حتى لو كان مقياس الضغط يعرض الضغط المطلوب بشكل صحيح، فقد لا تكون درجة حرارة التشبع المقابلة متاحة إذا كان البخار يحتوي على هواء و/أو غازات غير قابلة للتكثيف.

الهواء والغازات غير القابلة للتكثيف الأخرى

يكون الهواء موجودًا داخل أنابيب إمداد البخار والمعدات عند بدء التشغيل. حتى لو كان النظام مملوءًا بالبخار النقي آخر مرة تم استخدامه، فإن البخار سيتكثف عند الإيقاف، وسيتم سحب الهواء بواسطة الفراغ الناتج. عندما يدخل البخار النظام، فإنه يدفع الهواء نحو نقطة التصريف، أو نحو النقطة الأبعد من مدخل البخار، المعروفة بالنقطة البعيدة. لذلك يجب تركيب مصائد بخار ذات سعات تهوية هوائية كافية عند نقاط التصريف هذه، ويجب تركيب مُهوّات هوائية تلقائية عند جميع النقاط البعيدة. ومع ذلك، إذا كان هناك أي اضطراب، فإن البخار والهواء سيختلطان وسيُنقل الهواء إلى سطح نقل الحرارة. مع تكثف البخار، تُترك طقة عازلة من الهواء على السطح، تعمل كحاجز أمام نقل الحرارة.

خليط البخار والهواء

في خليط من الهواء والبخار، سيُسبب وجود الهواء انخفاض درجة الحرارة عن المتوقع. الضغط الكلي لخليط من الغازات يتكون من مجموع الضغوط الجزئية للمكونات في الخليط. يُعرف هذا بقانون Dalton للضغوط الجزئية. الضغط الجزئي هو الضغط الذي يُمارسه كل مكون لو أنه يشغل نفس حجم الخليط:

ملاحظة: هذه علاقة ديناميكية حرارية، لذا يجب التعبير عن جميع الضغوط بالبار مطلق.

مثال 2.4.1

لنأخذ خليط بخار/هواء مكون من ¾ بخار و¼ هواء بالحجم. الضغط الكلي هو 4 بار مطلق.

لذلك فإن البخار ليس له سوى ضغط فعّال قدره 3 بار مطلق مقابل ضغظه الظاهر البالغ 4 بار مطلق. سيكون للخليط درجة حرارة 134 درجة مئوية فقط بدلاً من درجة حرارة التشبع المتوقعة البالغة 144 درجة مئوية.

هذه الظاهرة ليست ذات أهمية فقط في تطبيقات تبادل الحرارة (حيث يزداد معدل نقل الحرارة مع زيادة فرق درجة الحرارة)، ولكن أيضًا في تطبيقات العمليات التي قد تكون فيها درجة حرارة دنيى مطلوبة لتحقيق تغيير كيميائي أو فيزيائي في المنتج. على سبيل المثال، درجة الحرارة الدنيا ضرورية في المُعقم لقتل البكتيريا.

مصادر أخرى للهواء في حلقة البخار والمكثف

يمكن أيضًا دخول الهواء إلى النظام منحلة مع مياه تغذية المرجل. الماء المُضاف والمكثف، المعرض للغلاف الجوي، سيمتص النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون بسهولة: المكونات الرئيسية للهواء الجوي. عند تسخين الماء في المرجل، تُطلق هذه الغازات مع البخار وتُنقل إلى نظام التوزيع. يتكون الهواء الجوي من 78% نيتروجين، و21% أكسجين و0.03% ثاني أكسيد الكربون، بالتحليل الحجمي. ومع ذلك، فإن ذوبانية الأكسجين ضعف ذوبانية النيتروجين تقريبًا، بينما ثاني أكسيد الكربون لديه ذوبانية أكبر بحوالي 30 مرة من الأكسجين! هذا يعني أن ‘الهواء’ المُذاب في مياه تغذية المرجل سيحتوي على نسب أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون والأكسجين: وكلاهما يسبب تآكلًا في المرجل والأنابيب. تُحافظ على درجة حرارة خزان التغذية عادةً لا تقل عن 80 درجة مئوية حتى يمكن تحرير الأكسجين وثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، حيث تنخفض ذوبانية هذه الغازات المُذابة مع زيادة درجة الحرارة.

تُحافظ على تركيز ثاني أكسيد الكربون المُذاب في الحد الأدنى أيضًا عن طريق إزالة المعادن وإزالة الغازات من الماء المُضاف في مرحلة معالجة المياه الخارجية. يمكن تحديد تركيز الغاز المُذاب في الماء باستخدام قانون هنري. ينص هذا على أن كتلة الغاز التي يمكن تحليلها بواسطة حجم معين من السائل تتناسب طرديًا مع الضغط الجزئي للغاز. هذا صحيح فقط إذا كانت درجة الحرارة ثابتة، ولم تكن هناك تفاعل كيميائي بين السائل والغاز.

نظافة الب​خار

طبقات الحجر المُتكونة على جدران الأنابيب قد تكون بسبب تكوّن الصدأ في أنظمة البخار القديمة، أو بسبب ترسب كربونات في مناطق المياه القاسية. أنواع أخرى من الأوساخ التي قد تُوجد في خط إمداد البخار تشمل خبث اللحام ومواد الربط المُطبقة بشكل سيئ أو الزائدة، التي قد تكون تركت في النظام عند تركيب الأنابيب لأول مرة. هذه الشظايا سيكون لها تأثير زيادة معدل التآكل في انحناءات الأنابيب والثقوب الصغيرة لمصائد البخار والصمامات. لهذا السبب من الممارسة الهندسية الجيدة تركيب مُرشّح أنابيب (كما هو موضح في الشكل 2.4.2). يجب تركيب هذا قبل كل مصيدة بخار، ومقياس تدفق، وصمام خفض ضغط، وصمام تحكم.

يتدفق البخار من المدخل A عبر الشاشة المُثقبة B إلى المخرج C. بينما يمر البخار والماء بسهولة عبر الشاشة، ستُحجز الأوساخ. يمكن إزالة الغطاء D، مما يسمح بسحب الشاشة وتنظيفها على فترات منتظمة.

عند تركيب المُرشّحات في خطوط البخار، يجب تركيبها على جوانبها حتى يمكن تجنب تراكم المكثف ومشكلة المطرقة المائية. هذا الاتجاه سيكشف أيضًا أقصى مساحة لشاشة المُرشّح للتدفق. قد تكون طقة من الحجر موجودة أيضًا على سطح نقل الحرارة، تعمل كحاجز إضافي أمام نقل الحرارة. طبقات الحجر غالبًا ما تكون نتيجة لـ:

• تشغيل مرج�ل غير صحيح، مما يُسبب نقل الشوائب من المرجل في قطرات الماء.
• معالجة مياه غير صحيحة في غرفة المرجل. يمكن تقليل معدل تراكم هذه الطبقة من خلال الانتباه الدقيق لتشغيل المرجل وإزالة أي قطرات من الرطوبة.

جفاف الب​خار

معالجة مياه التغذية الكيميائية غير الصحيحة وفترات الحمل القصوى يمكن أن تسبب الابتلاء والحمل الزائد لمياه تغذية المرجل إلى خطوط البخار الرئيسية، مما يؤدي إلى ترسب مواد كيميائية وغيرها على أسطح نقل الحرارة. ستتراكم هذه الرواسب بمرور الوقت، مما يقلل تدريجيًا من كفاءة المعدات. بالإضافة إلى ذلك، مع مغادرة البخار المرجل، يجب أن يتكتف بعضه بسبب فقد الحرارة عبر جدران الأنابيب. على الرغم من أن هذه الأنابيب قد تكون معزولة بشكل جيد، لا يمكن القضاء على هذه العملية تمامًا. النتيجة الإجمالية هي أن البخار الذي يصل إلى المعدات يكون رطبًا نسبيًا، وقطرات الرطوبة المنقولة مع البخار يمكن أن تتآكل الأنابيب والتجهيزات والصمامات خاصة إذا كانت السرعات عالية. تم إظهار سابقًا أن وجود قطرات الماء في البخار يقلل من ثالوث التبخر الفعلي، ويؤدي أيضًا إلى تكوّن الحجر على جدران الأنابيب وسطح نقل الحرارة. قطرات الماء المُحاصرة داخل البخار يمكن أن تضيف إلى فيلم الماء المقاوم المُنتَج عند تكثف البخار، مما يُنشئ حاجزًا آخر لعملية نقل الحرارة. سيزيل فاصل البخار قطرات الرطوبة المُحاصرة في تدفق البخار، وأيضًا أي مكثف تدلى إلى قاع الأنبوب. في الفاصل الموضح في الشكل 2.4.3، يُجبر البخار على تغيير الاتجاه عدة مرات أثناء تدفقة عبر الهيكل. تُنشئ الحواجز عقبة لقطرات الماء الأثقل، بينما يُسمح للبخار الجاف الأخف بالتدفق بحرية عبر الفاصل. تسقط قطرات الرطوبة على الحواجز وتتصريف عبر التوصيل السفلي للفاصل إلى مصيدة بخار. سيسمح هذا للمكثف بالتصريف من النظام، لكنه لن يسمح بمرور أي بخار.

المطرقة المائية

مع بدء البخار في التكثيف بسبب فقد الحرارة في الأنبوب، يتكون المكثف في قطرات على الجانب الداخلي من الجدران. مع اندفاعها في تدفق البخار، تندمج في فيلم. يتدلى المكثف بعد ذلك نحو قاع الأنبوب، حيث يبدأ الفيلم في زيادة السُمك. تراكم قطرات المكثف على طول أنبوب بخاري يمكن أن يُشكل في النهاية كتلة من الماء (كما هو موضح في الشكل 2.4.4)، والتي ستنقل بسرعة البخار عبر الأنابيب (25 - 30 م/ث).

كتلة الماء هذه كثيفة وغير قابلة للانضغاط، وعندما تسافر بسرعة عالية، لديها كمية كبيرة من الطاقة الحركية.

تنص قوانين الديناميكا الحرارية على أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها، بل ببساطة تتحول إلى شكل مختلف. عند العائق، ربما عند انحناء أو تفرع في الأنبوب، تتحول الطاقة الحركية للماء إلى طاقة ضغط ويُطبق صدمة ضغط على العائق. سيتجمع المكثف أيضًا عند النقاط المنخفضة، ويمكن لكتل المكثف أن تلتقطها تدفق البخار وتُلقى في اتجاه المصب عند الصمامات وتجهيزات الأنابيب.

هذه النقاط المنخفضة قد تشمل رئيسيًا متدليًا، وقد يكون بسبب دعم أنابيب غير كافٍ أو حامل أنبوب مكسور. مصادر محتملة أخرى للمطرقة المائية تشمل الاستخدام غير الصحيح لمُضيقات متحدة المركز والمُرشّحات، أو التصريف غير الكافٍ قبل ارتفاع في خط البخار الرئيسي. بعض هذه موضح في الشكل 2.4.5. الضوضاء والاهتزاز الناتج عن الاصطدام بين كتلة الماء والعائق يُعرف بالمطرقة المائية. يمكن أن تقلل المطرقة المائية بشكل كبير من عمر ملحقات الأنابيب. في الحالات الشديدة قد تنكسر التجهيزات بتأثير شبه متفجر. قد تكون النتيجة فقدان البخار الحي عند الكسر، مما يُخلق حالة خطيرة. يتم مناقشة تركيب أنابيب البخار بالتفصيل في الكتلة 10، توزيع البخار.