اگر آب بیش از نقطه جوش خود گرم شود، به بخار یا آب در حالت گازی تبدیل می‌شود. با این حال، بخار تنها به یک شکل نیست. خصوصیات بخار تا حد زیادی با توجه به فشار و دمای وارد شده به آن تغییر می‌کنند. در این مقاله با انواع بخار شامل بخار اشباع ، بخار خشک ، بخار سوپر هیت ، بخار فلش و … آشنا می شویم.
رابطه‌ی فشار-دمای آب و بخار
بخار اشباع (خشک) زمانی حاصل می‌شود که آب تا نقطه جوش گرم شده (گرمایش محسوس یا Sensible heating) و سپس با گرمای اضافی (گرمایش نهان Latent heating) تبخیر شود. اگر این بخار تا بالاتر از نقطه اشباع گرم شود، به بخار فوق گرم (گرمایش محسوس) تبدیل می‌شود.
بخار اشباع (خشک)
همانگونه که در خط سیاه موجود در نمودار بالا نشان داده شده است، بخار اشباع (Saturated Steam) در فشار و دمایی تشکیل می‌شود که بخار(گاز) و آب (مایع) بتوانند در کنار هم موجود باشند. به عبارت دیگر، بخار اشباع زمانی تشکیل می‌شود که سرعت تبخیر آب برابر با سرعت میعان باشد.
مزایای استفاده از بخار اشباع برای گرمایش
بخار اشباع خصوصیات بسیاری دارد که آن را به ویژه در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد و بالاتر به یک منبع گرمایی فوق العاده تبدیل می‌کند. بعضی از این خصوصیات عبارتند از:
- گرمایش سریع و یکنواخت به کمک انتقال حرارت نهان در نتیجه بهبود کیفیت و بهره‌وری محصول.
- فشار می‌تواند دما را کنترل کند. در نتیجه دما به سرعت و با دقت ایجاد می‌شود.
- ضریب انتقال حرارت بالا در نتیجه نیاز به سطح انتقال حرارت کوچکتر و کاهش هزینه‌ی تجهیزات.
- بخار از آب تولید می‌شود در نتیجه بی خطر، تمیز و کم هزینه است.
نکات:
بعد از ارائه خصوصیات و مزایای ناشی از آن در قسمت بالا، بررسی مطالب زیر به هنگام گرمایش به کمک بخار اشباع ضروری است:
– ممکن است در صورت استفاده از بخار غیر خشک برای گرمایش فرآیند، بازده گرمایش کاهش یابد. برخلاف تصور کلی، همه بخار تولید شده از یک دیگ بخار، تنها بخار خشک اشباع نیست و دارای کمی بخار مرطوب بوده که این بخار حاوی مقداری مولکول‌های آب تبخیر نشده است.
– اتلاف گرمای تابشی موجب تشکیل مایع از بخار می‌شود. بنابراین، بخار مرطوب تولید شده مرطوب‌تر شده و میعان تشکیل می‌شود که این میعان باید از طریق نصب تله‌های بخار در مکان‌های مناسب جداسازی شود.
– کندانس سنگین تشکیل شده در جریان بخار را می‌توان به کمک تله‌های بخار قیفی (Drip leg steam traps) جداسازی کرد. به هر حال بخار مرطوب بازده گرمایش را کاهش می‌دهد و باید جداسازی شود.
– افت فشار بخار در سیستم لوله کشی که به دلیل اصطکاک می باشد، می تواند به صورت متناظر موجب کاهش دمای بخار نیز گردد.
بخار غیر اشباع (مرطوب)
بخار غیر اشباع (Unsaturated Steam) رایج‌ترین نوع بخار موجود در واحدهای صنعتی است. وقتی بخار با استفاده از دیگ بخار تولید می‌شود، معمولا دارای کمی رطوبت ناشی از مولکول‌های آب تبخیر نشده است که وارد بخار توزیع شده می‌شود. حتی ممکن است بهترین دیگ‌ها، بخاری با ۳ تا ۵ درصد رطوبت تولید کنند. هنگامی که آب به حالت اشباع رسیده و شروع به تبخیر می‌کند، معمولا مقداری آب به شکل مه یا قطرات ریز وارد بخار و جریان توزیع شده می‌شود. این یکی از دلایل اصلی استفاده از سپراتور بخار جهت جداسازی مایعات از بخار توزیع شده است.
بخار فوق گرم
بخار فوق گرم (Superheated Steam) از طریق گرمایش بیشتر بخار اشباع یا مرطوب تا بالاتر از دمای نقطه اشباع بخار تولید می‌شود. این گرمایش موجب تشکیل بخاری با دمای بیشتر و چگالی کمتر نسبت به بخار اشباع در فشار یکسان می‌شود. بخار فوق گرم اغلب در تجهیزات محرکه مانند توربین‌ها استفاده شده و معمولا در زمینه انتقال حرارت استفاده نمی‌شود.
مزایای استفاده از بخار فوق گرم برای حرکت توربین‌ها
– برای حفظ خشکی بخار برای تجهیزات محرک با بخار (Steam-driven equipment) ، عملکرد این تجهیزات در اثر وجود مایعات دچار مشکل می‌شود.
– بهبود بازده حرارتی و قابلیت کار (برای مثال، دستیابی به تغییرات بیشتر در حجم ویژه از حالت فوق گرم تا فشارهای کمتر یا حتی شرایط خلاء.)
تولید و توزیع بخار به صورت فوق گرم بهتر است، برای اینکه در طول کارکرد عادی تجهیزات کندانس تولید نمی‌شوند و در نتیجه خطر آسیب ناشی از خوردگی، فرسایش و حالت کربنی کاهش می‌یابد. همچنین از آنجایی که بازده حرارتی نظری توربین با استفاده از مقدار آنتالپی در ورودی و خروجی توربین محاسبه می‌شود، افزایش میزان فوق گرم بودن بخار و همچنین افزایش فشار، موجب افزایش آنتالپی در قسمت خروجی توربین شده و در نتیجه نقش موثری در بهبود بازده حرارتی دارد.
معایب استفاده از بخار فوق گرم برای گرمایش
- ضریب انتقال حرارت پایین و در نتیجه کاهش بهره‌وری و نیاز به سطح انتقال حرارت بیشتر.
- دمای بخار متغیر حتی در فشار ثابت (بخار فوق گرم باید سرعت بالایی را حفظ کند، در غیر این صورت به دلیل اتلاف گرما از سیستم، دما کاهش می‌یابد. )
- در بخار سوپر هیت از گرمای محسوس برای انتقال حرارت استفاده می‌شود در نتیجه دما متغیر بوده و کاهش دما می‌تواند اثری منفی بر کیفیت محصول داشته باشد.
- ممکن است دما بسیار بالا باشد و در نتیجه ممکن است تجهیزات قوی‌تری لازم و هزینه اولیه تجهیزات افزایش یابد.
بنا به دلایل فوق جهت گرمایش مانند مبدل‌ها و سایر تجهیزات انتقال حرارت، بخار اشباع نسبت به بخار فوق گرم ارجحیت دارد. از سوی دیگر، اگر بخار به عنوان منبعی برای گرمایش مستقیم و همچنین نوعی گاز با دمای بالا محسوب شود، نسبت به هوای داغ دارای یک مزیت است، برای اینکه می‌توان از آن به عنوان یک منبع گرما برای گرمایش در شرایط بدون اکسیژن استفاده کرد. همچنین، تحقیقاتی در مورد استفاده از بخار فوق گرم در صنایع فرآوری غذا مانند پختن و خشک کردن در حال انجام است.
آب فوق بحرانی
آب فوق بحرانی (Supercritical water)، آبی است که در حالتی بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد (دمای ۳۷۴ درجه سانتیگراد و فشار ۲۲ مگاپاسکال یا ۲۲۰ بار ) . در نقطه بحرانی، گرمای نهان بخار صفر بوده و حجم مخصوص آن دقیقا برابر با حالت مایع یا گاز است. به عبارت دیگر، آب در دما و فشاری بالاتر از نقاط بحرانی، دارای حالتی غیر قابل تشخیص است که بطور مشخص مایع یا گاز نیست.
آب فوق بحرانی برای حرکت توربین‌های موجود در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود که نیازمند بازده بیشتری هستند. تحقیقات در مورد آب فوق بحرانی با تاکید بر استفاده از آن به عنوان سیالی دارای خواص مایع و گاز و به ویژه کاربرد آن به عنوان حلال در واکنش‌های شیمیایی، در حال انجام است.
حالات مختلف آب
آب غیر اشباع
این نوع آب، رایج‌ترین حالت آب است. تقریبا ۷۰ درصد وزن بدن انسان از آب است. پیوند هیدروژنی در آب مایع، موجب انسجام مولکول‌های آب می‌شود. در نتیجه آب غیر اشباع، تراکم، فشردگی و ساختار نسبتا پایداری دارد.
بخار اشباع
مولکول‌های بخار اشباع غیر قابل رویت هستند. هنگام خروج بخار اشباع از لوله و انتشار در محیط، بخشی از آن به دلیل انتقال گرمای خود به هوای محیط به مایع تبدیل می‌شود و ابرهای بخار سفید رنگ (قطرات ریز آب) تشکیل می‌شوند. از آنجایی که بخار حاوی قطرات ریز است، تحت عنوان بخار مرطوب نامیده می‌شود.
در یک سیستم بخار، اغلب بخار خارج شده از تله‌های بخار به اشتباه بخار اشباع تصور می‌شود، در حالی این نوع بخار، بخار آنی (Flash steam) است. تفاوت این دو نوع بخار این است که بخار اشباع به سرعت در خروجی لوله ناپدید می‌شود، در حالی که بخار آنی حاوی قطرات آب قابل مشاهده است که به سرعت تشکیل می‌شوند.
بخار فوق گرم
تا زمانی که بخار حالت فوق گرم خود را حفظ کند به مایع تبدیل نمی‌شود، حتی اگر در تماس با محیط قرار بگیرد و دمای آن کاهش یابد. در نتیجه، ابر بخار تشکیل نمی‌شود. بخار فوق گرم، در شرایط فشار یکسان گرمای بیشتری نسبت به بخار اشباع در خود ذخیره می‌کند و حرکت مولکول‌های آن سریعتر است، در نتیجه چگالی کمتری دارد (حجم مخصوص آن بیشتر است).
آب فوق بحرانی
اگرچه نمی‌توان از نظر ظاهری این نوع آب را توصیف کرد، این نوع آب، آبی است که به صورت مایع یا گاز وجود ندارد. تعریف کلی در مورد این نوع آب، بیانگر حرکت مولکولی نزدیک به گاز و چگالی نزدیک به مایع است.
در ادامه به صورت تکمیلی به تشریح بخار فلش می پردازیم. مطالعه مقاله “بخار فلش چیست؟” را به شما پیشنهاد می دهیم.