نظرية تفريغ الهواء

تأثير الهواء

إذا خُلط الهواء مع البخار وتدفق معه، ستبقى جيوب هوائية على أسطح المبادلة الحرارية حيث يتكثف البخار. تدريجيًا، تتراكم طبقة رقيقة لتشكل بطانية عازلة، تُعيق نقل الحرارة كما هو موضح في الشكل 11.12.1. يُستخدم الهواء على نطاق واسع كعازل بسبب مواصلته المنخفضة (على سبيل المثال، الزجاج المزدوج المستخدم في النوافذ الحديثة هو ببساطتدا طبقتان من الزجاج مع طبقة عازلة من الهواء بينهما). وبالمثل، يُستخدم الهواء لتقليل فقدان الحرارة من أنابيب البخار. معظم مواد العزل تتكون من ملايين الخلايا الهوائية المجهرية، ضمن مصفوفة من الألياف الزجاجية أو الصوف المعدني أو مادة بوليمرية. الهواء هو العازل والمادة الصلبة ببساطة تُبقيه في موضعه. وبالمثل، غشاء هواء على جانب البخار من سطح نقل الحرارة مقاوم لتدفق الحرارة، مُقللًا من معدل نقل الحرارة.

الموصلية الحرارية للهواء هي 0.025 واط/م درجة مئوية، بينما الرقم المقابل للماء عادة 0.6 واط/م درجة مئوية، والحديد حوالي 75 واط/م درجة مئوية والنحاس حوالي 390 واط/م درجة مئوية. غشاء هواء بسماكة 1 مم فقط يُقدم نفس مقاومة تقريبًا لتدفق الحرارة كجدار نحاس بسماكة 15 مترًا! من غير المرجح أن يوجد الهواء كغشاء متساوٍ داخل المبادل الحراري. على الأرجح، تركيز الهواء أعلى بالقرب من سطح التكثيف، وأخفض بعيدًا. من المناسب معاملته كطبقة متجانسة عند محاولة إظهار مقاومته لتدفق الحرارة. عند إضافة الهواء إلى البخار، يكون المحتوى الحراري لحجم معين من الخليط أقل من نفس حجم البخار النقي، فتُخفَّض درجة حرارة الخليط. قانون دالتون للضغوط الجزئية ينص على أن؛ ‘في خليط من البخار والهواء، الضغط الإجمالي هو مجموع الضغط الجزئي الذي سيُمارسه كل غاز، عند احتلال الحجم الإجمالي بمفرده’. على سبيل المثال، إذا كان الضغط الإجمالي لخليط بخار/هواء عند 2 بار (مطلق) مكونًا من 3 أجزاء بخار إلى 1 جزء هواء بالحجم، فإن: الضغط الجزئي للهواء = ¼ x 2 بار مطلق = 0.5 بار مطلق الضغط الجزئي للبخار = ¾ x 2 بار مطلق = 1.5 بار مطلق الضغط الإجمالي للخليط = 0.5 + 1.5 بار مطلق = 2 بار مطلق (1 بار ضغط معياري) سيُشير مقياس الضغط إلى ضغط 1 بار ضغط معياري، مُستنتجًا درجة حرارة مقابلة قدرها 120 درجة مئوية للمراقب. ومع ذلك، الضغط الجزئي بسبب كمية البخار الموجودة في الخليط هو فقط 0.5 بار ضغط معياري (1.5 بار مطلق)، مُساهمًا بدرجة حرارة 112 درجة مئوية فقط. وبالتالي، وجود الهواء له تأثير مزدوج:

• يُقدم مقاومة لنقل الحرارة عبر تأثير التدرّج.
• يُقلل من درجة حرارة مساحة البخار مُقللًا من التدرج الحراري عبر سطح نقل الحرارة. التأثير العام هو تقليل معدل نقل الحرارة تحت ما قد تتطلبه عملية حرجة، وفي أسوأ الحالات قد يمنع حتى الوصول إلى درجة حرارة عملية نهائية مطلوبة. في العديد من العمليات، تُطلب درجة حرارة دنيى ل achieving تغيير كيميائي أو فيزيائي في المنتج، تمامًا كما أن درجة حرارة دنيى ضرورية في المُعقم. وجود الهواء مُقلق بشكل خاص لأنه سيُسبب تضليل مقياس الضغط. يتبع أن درجة الحرارة لا يمكن استنتاجها من الضغط.

الهواء في النظام

الهواء موجود داخل أنابيب البخار ومعدات البخار عند بدء التشغيل. حتى لو مُلئ النظام بالبخار النقي عند استخدامه، فإن البخار المتكثف سيُسبب تفريغًا ويُسحب الهواء إلى الأنابيب عند الإغلاق.

يمكن أيضًا للهواء دخول النظام مُذابًا في ماء التغذية. عند 80 درجة مئوية، يمكن للماء إذابة حوالي 0.6% من حجمه من الهواء. ذوبانية الأكسجين تقريبًا ضعف النيتروجين، لذا ‘الهواء’ المُذاب في الماء يحتوي على جزء واحد من الأكسجين إلى اثنين من النيتروجين بدلاً من جزء واحد إلى أربعة أجزاء في الهواء الجوي. ثاني أكسيد الكربون لديه ذوبانية أعلى، تقريبًا 30 مرة أكبر من الأكسجين.

ماء تغذية الغلاية، والمكثفات المعرضة للغلاف الجوي، يمكنها بسهولة امتصاص هذه الغازات. عند تسخين الماء في الغلاية، تُطلق الغازات مع البخار وتُنقل إلى نظام التوزيع. ما لم يكن ماء ‘التغذية’ للغلاية مُزال المعادن ومُزيل الغازات بالكامل، فغالبًا ما يحتوي على كربونات صوديوم قابلة للذوبان من عمليات تبادل كيميائي لمعالجة المياه. يمكن إطلاق كربونات الصوديوم إلى حد ما في الغلاية ومرة أخرى يُشكَّل ثاني أكسيد الكربون.

مع الغلايات ذات الضغط الأعلى، يُمرَّر ماء التغذية غالبًا عبر مُزيل غازات قبل ضخه إلى الغلاية. أفضل أجهزة إزالة الغازات يمكنها خفض مستويات الأكسجين إلى 3 أجزاء في المليون (ppm) في الماء. يمكن التعامل مع هذا الأكسجين المتبقي بعد ذلك بالمعالجة الكيميائية. ومع ذلك، هذه الكمية من الأكسجين ستُرافَق بحوالي 6 ppm من النيتروجين، الذي تتجاهله المعالجة الكيميائية. إذا كانت الغلاية متوسطة الحجم تُنتج 10000 كجم في الساعة من البخار، فإنها تستخدم حوالي 10000 لتر في الساعة من الماء، مُنتِجة بدورها 60 سم3 من النيتروجين. سيتراكم هذا مع مرور الوقت بتأثير كبير على نقل الحرارة إذا لم يُزَل من النظام.

أفضل العلاجات الفيزيائية والكيميائية ستسمح لبعض الغازات غير القابلة للتكثيف غير المعالجة بمغادرة الغلاية مع البخار. الهواء، الذي غالبًا لا يُشتبه فيه، أكثر انتشارًا في أنظمة البخار مما يُعتقد وهو سبب كل من حد الإنتاج وتآكل المعدات.

علامات الهواء

1. انخفاض تدريجي في إنتاج أي جهاز مُسخَّن بالبخار.
2. فقاعات هوائية في المكثفات.
3. تآكل. إزالة الهواء من أنظمة البخار أمر حاسم. تتناول الصفحات التالية القضية بمناقشة تطبيقات منافذ تفريغ الهواء.

إزالة الهواء

الوسيلة الأكثر كفاءة لتفريغ الهواء هي بجهاز تلقائي. الهواء المُخلوط مع البخار يُخفَّض درجة حرارة الخليط. هذا يُتيح لجهاز علاجي (مبني على مبدأ الضغط المتوازن أو ثنائي المعدن) تفريغ نظام البخار. منفذ تفريغ هواء مُثبَّت على مساحة البخار لوعاء (الشكل 11.12.3) أو عند نهاية خط بخار رئيسي (الشكل 11.12.4) سينفتح عند وجود الهواء. لأقصى إزالة للهواء، يجب أن يكون التصريف حرًا قدر الإمكان. غالبًا يُثبَّت أنبوب لنقل التصريف إلى موقع آمن، يُفضل ألا يكون خط إرجاع مكثفات، الذي قد يُقيد الإطلاق الحر للهواء وقد يُشجع التآكل أيضًا. عندما يُثبَّت منفذ تفريغ هواء لتجاوز صمام بخار (الشكل 11.12.5)، سيعمل كصمام بخار بعد تفريغ الهواء، وقد يُفرغ مكثفات من وقت لآخر. في هذه الحالات من الضروري إعادة توصيل منفذ تفريغ الهواء بخط المكثفات بعد الصمام.

إذا ارتفع خط تصريف المكثفات من صمام إلى مستوى عالٍ، يفرض الخط المغمور ضغطًا خلفيًا على الصمام ومنفذ تفريغ الهواء. تنخفض قدرة منفذ تفريغ الهواء على تفريغ الهواء، خاصة عند بدء التشغيل. ينطبق هذا بالتساوي عندما يُدمج منفذ تفريغ الهواء داخل صمام بخار. عندما يعني شكل مساحة البخار للتطبيق وموقع مدخل البخار أن معظم الهواء يخرج عبر مخرج المكثفات، يكون من الأفضل ألات ترتفع خطوط التصريف من صمام البخار ومنفذ تفريغ الهواء إلى مستوى عالٍ.

موقع منفذ تفريغ الهواء

عندما يكون لللفائف أو الوعاء مقطع عرضي صغير نسبيًا، فإن البخار المسموح به سيعمل كبِسْطون، يدفع الهواء إلى نقطة بعيدة عن مدخل البخار. هذه ‘النقطة البعيدة’ عادة أفضل موقع لمنفذ تفريغ الهواء. في حالة مستخدم البخار بالشكل الموضح في الشكل 11.12.6، ستمر بعض من الهواء عبر مخرج المكثفات، وفقًا للتجهيزات المُتخذة في الصمام، أو في تجاوز، للتعامل مع الهواء. قد يتجمع بقية الهواء كما هو مُشار، مُشكِّلًا نقطة باردة على سطح التسخين. لا يمكن للوحدة التدفئة بشكل متساوٍ، وقد يحدث تشوه في بعض المعدات، مثل أسرّة مكائن الكي. بما أن خليط الهواء/البخار أكثر كثافة من البخار النقي عند نفس الضغط، فإنه يُعتبر كافيًا توفير قدرة تفريغ هواء داخل صمام البخار المنخفض المستوى. ومع ذلك، يعني وضع التشغيل للصمام أن المكثفات تُشكِّل ختمًا مائيًا عند مدخل الصمام يمنع أحيانًا الهواء من الوصول إلى الصمام. قد تكون هناك حاجة للنظر في منفذ تفريغ هواء تلقائي مُوصَّل بمساحة البخار فوق مستوى أي مكثفات. غالبًا يكون مناسبًا وفعالًا بما فيه الكفاية توصيله بقمة مساحة البخار، كما في الشكل 11.12.6. ومع ذلك، في حالة مساحتين بخاريتين بنفس الحجم والشكل لكن بمواقع مدخل بخار مختلفة، قد يكون موقع منفذ تفريغ الهواء مختلفًا. في الشكل 11.12.7 والشكل 11.12.8، تُصرَّف المكثفات من قاع الوعاء لكن مع مدخل بخار سفلي، عند بدء التشغيل، يميل الهواء إلى الدفع إلى النقطة البعيدة الموجودة في الأعلى. قد يكون الأفضل وضع منفذ تفريغ الهواء في الأعلى بينما صمام بخار عائم-علاجي سيعمل على أي هواء متبقٍ تجمع في قاع الوعاء.