گرمایش با بخار، مزایا و ویژگی ها

بخار یکی از معمول­ترین و موثرترین وسیله ها برای انتقال حرارت در صنایع است، اما تنها ماده موجود نیست. دیگر سیالات نظیر آب و روغن داغ نیز برای گرمایش غیرمستقیم در مبدل ­های حرارتی به کار می­ روند. در ادامه به تشریح مزایای استفاده از بخار در مقایسه با آب یا روغن داغ جهت گرمایش می­ پردازیم.

مزایای گرمایش با بخار

گرمایش با آب یا روغن داغ

انتقال حرارت از یک ماده مایع مانند آب یا روغن داغ با استفاده از گرمای محسوس آن ماده انجام می ­پذیرد. سیال در دماهای بالا به مبدل حرارتی وارد می­ شود. در حالی که مایع انرژی گرمایی خود را از دست می­ دهد، دمایش افت می­ کند و مبدل حرارتی را در دماهای پایین­ تری ترک می­ کند. میزان انرژی رها شده از هر واحد مایع نسبتأ پایین است (معمولأ در حدود ۱۷ kcal/kg).

گرمایش با بخار

بخار در حالت گازی به مبدل حرارتی وارد می­ شود. انتقال حرارت از طریق بخار اشباع از گرمای نهان موجود در بخار استفاده می­ کند و مقادیر زیادی از انرژی چگالش (تغییر به حالت مایع) را آزاد می­ نماید. مایع چگالیده با دمایی نزدیک به دمای بخار اشباع از مبدل حرارتی بیرون می ­آید. میزان انرژی به­دست آمده از هر واحد بخار بالا است (نزدیک به ۵۳۹ kcal/kg و بیش­تر با استفاده از بخار خلاء).

خلاصه ­ای از مزایا

استفاده از گرمای نهان (گرمایش با بخار) برای انتقال حرارت بسیار موثرتر از استفاده از گرمای محسوس ( گرمایش با آب  یا روغن داغ) می­ باشد و مقادیر بیشتری از انرژی در بازه زمانی کوتاه­تری آزاد می­ گردد. این پدیده سبب به وجود آمدن مزایای زیر می­ گردد:

خاصیت: گرمایش یکنواخت از طریق انتقال حرارت پنهان  --> مزیت: بهبود کیفیت محصول و تولید

خاصیت: توانایی فشار در کنترل دما (با تغییر فشار می توان دما را کنترل نمود)   --> مزیت: دما را می­توان سریعأ و با دقت زیاد تنظیم کرد.

خاصیت: ضریب انتقال حرارت بالا  --> مزیت: سطح انتقال حرارت کوچک­تر که منجر به کاهش اندازه تجهیزات خواهد شد.

مکانیزم گرمایش بخار

در ابتدا نگاهی به چگونگی تولید گرمایش سریع و یکنواخت توسط بخار خواهیم کرد. پس از این به بحث در مورد نرخ انتقال حرارت بخار و آب داغ بر اساس داده­ های تجربی خواهیم پرداخت.

بخار چگونه گرمایش پایدار و یکنواخت ایجاد می­کند؟

بر خلاف انتقال حرارت به وسیله جابجایی (مانند آب داغ)، در انتقال حرارت به وسیله چگالش (مانند بخار) تغییر دما روی نمی ­دهد. بخار بر روی سطح انتقال حرارت به هنگام چگالش، گرمای نهان خود را به محصول می­ دهد. مایع چگالیده هنوز به صورت محسوس گرما دارد و دمای آن برابر با دمای بخاری که از آن به وجود آمده است می باشد. این پدیده منجر به گرمایش یکنواخت در تمام طول سطح انتقال حرارت می­ گردد.

اگر فشار در سطح انتقال حرارت مبدل مورد نظر ثابت باشد، گرمایش یکنواخت در دمای ثابت را در تمامی قسمت های مبدل حرارتی مشاهده خواهیم کرد.

از طرف دیگر، با استفاده از آب یا روغن داغ، دمای ماده گرمایشی به هنگام انتقال حرارت محسوس بین ماده و محصول کاهش خواهد یافت. اختلاف دما به دلیل کم شدن هر لحظه دمای سیال در مراحل مختلف عبور از مبدل، همیشه در حال افزایش است. این پدیده منجر به یک گرمایش ناهمگون خواهد شد که ممکن است بر کیفیت محصول گرم شده اثر سوء بگذارد.

بخار چگونه منجر به گرمایش سریع می­ شود؟

انتقال حرارت بر اثر چگالش (بخار)

رمز این پدیده در انتقال حرارت ناشی از فراید چگالش نهفته است.

گرمای نهان موجود در بخار به وسیله چگالش لحظه­ ای بخار به حالت مایع آزاد می­ شود. مقدار گرمای نهان آزاد شده ۲ تا ۵ برابر بزرگ­تر از گرمای محسوس در دسترس در آب داغ (آب اشباع) پس از چگالش است. این گرمای نهان به صورت لحظه­ ای آزاد شده و از طریق سطح انتقال حرارت به محصول تحت گرمایش منتقل می­ شود.

از طریق چگالش، بخار به صورت طبیعی بر خلاف سطح انتقال حرارت جریان پیدا می­ کند. این پدیده به افزایش سرعت فرایند گرمایش کمک می­ کند.

انتقال حرارت به وسیله جابجایی (آب و روغن داغ)

در نقطه مقابل، آب داغ و روغن از طریق جابجایی به انتقال گرما می­ پردازند که در آن­ها پدیده تغییر حالت رخ نمی ­دهد. در صورت جابجایی آزاد، انتقال حرارت به شدت آهسته صورت می­ گیرد. بنابراین، معمولأ از یک پمپ جهت ایجاد جریان در سطوح انتقال حرارت به منظور افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده می­ شود. به این پدیده گرمایش از طریق جابجایی به صورت اجباری می­ گویند.

نرخ انتقال حرارت

نرخ انتقال حرارت بین یک سیال در حرکت و یک سطح جامد معمولاً توسط ضریب انتقال حرارت جابجایی تعیین می­ گردد. مقادیر آن به طور نسبی به شرح ذیل است:

• برای آب داغ: ۱۰۰۰ — ۶۰۰۰ (W/m^۲°C)
• برای بخار: ۶۰۰۰ — ۱۵۰۰۰ (W/m^۲°C)

در یک مبدل حرارتی، اگرچه فرایند انتقال حرارت را نمی­ توان فقط به ضریب انتقال حرارت جابجایی محدود کرد زیرا انتقال حرارت مابین چندین ماده مختلف روی می­ دهد. بنابراین به طور کل ترکیبی از سه مکانیزم زیر خواهد بود:

1. انتقال حرارت از سیال گرم­ کننده به سطح مبدل حرارتی
2. انتقال حرارت در طول دیواره مبدل حرارتی
3. انتقال حرارت بین دیواره مبدل حرارتی و سیال (محصول) گرم­ شونده

پس اندازه­ گیری انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی به تعیین ضریب کلی انتقال حرارت (یعنی مقدار U) بستگی دارد که از سه مکانیزم بالا به دست خواهد آمد. واحد آن همان (W/m^۲C)  خواهد بود.

داده­ های تجربی

مقدار U می­تواند بسته به کاربرد مبدل حرارتی بسیار متغیر باشد اما داده­ های تجربی نشان داده که گرمایش با بخار می­تواند به مقادیری ۱٫۷ برابر مقدار گرمایش با آب داغ برسد. در اینجا یک مثال از بهبود خواص انتقال حرارتی با استفاده از بخار به جای آب داغ در یک مبدل حرارتی پوسته لوله­ ای در شرکت A را مشاهده می­ کنید:

شرح کار: بهبود نرخ تولید با استفاده از کاهش زمان فرایند مورد نیاز جهت چگالش عامل شیمیایی حل شده در محلول

بخش: مواد شیمیایی

تجهیزات: یک مبدل پوسته لوله­ ای با کامپوزیت شیشه (۱۰ مترمکعبی)

همان گونه که اطلاعات نشان می­ دهد، مقدار U با ضریب ۱٫۷ افزایش یافته که نشان از کاهش چشمگیر زمان تولید دارد.