بخار، سیال حامل انرژی
قبل از آغاز هر بحث فنی و بررسی سیکل بخار، در ابتدا به مهم ترین نکات پیرامون سیستم بخار با در نظرگرفتن فواید و موارد استفاده آن اشاره می شود. بخار از شروع حرکت خود با لکوموتیوهای بخار در انقلاب صنعتی راه زیادی را پیموده و هم اکنون به صورت یکی از اجزاء مهم و ضروری تکنولوژی مدرن درآمده است. بدون وجود بخار، صنایع غذایی، نساجی، شیمیایی، پزشکی، تولید قدرت، گرمایش و صنایع حمل و نقل نمی توانستند به صورت امروزه وجود داشته باشند.
شکل 1– موتور بخار قرن هجدهم
بخار امکان انتقال انرژی به صورت کنترل شده از موتورخانه مرکزی (جهت تولید بخار با کیفیت مناسب) به سمت نقطه مصرف را فراهم می نماید. هر جا که بخار در حال حرکت است در واقع حمل و توزیع انرژی صورت می گیرد. به دلایل متعدد، بخار یکی از پر مصرف ترین اشکال انرژی حرارتی می باشد و در صنعت به صورت همزمان جهت تولید قدرت مکانیکی، کاربردهای تهویه مطبوع و همچنین در بسیاری از فرآیندها استفاده می شود.
مزایای بخار
الف) مقرون به صرفه بودن بخار
آب سیالی ارزان، در دسترس و برای سلامتی انسان و محیط زیست بدون ضرر می باشد. بخار نیز علاوه بر دارا بودن اکثر مزایای سیستم های آبی، قابلیت ذخیره سازی انرژی به میزان پنج یا شش برابر بیشتر از آب را دارد. هنگامی که آب در یک دیگ بخار گرم می شود، شروع به جذب انرژی نموده و با توجه به فشار دیگ، در دمای اشباع خود به شکل بخار در می آید. بخار تولیدی دارای انرژی قابل استفاده در فرآیندها و یا سیستم های تهویه مطبوع می باشد.
هرچه فشار بالاتر رود، دمای بخار نیز بیشتر می گردد، بنابراین بخار دما بالا دارای انرژی مضاعف بوده و پتانسیل انجام کار بیشتری را دارا است.
- دیگ های بخار مدرن از نوع پوسته ای، کوچک و با راندمان بالا هستند و با استفاده از چندین گذرگاه و مشعل های مناسب، مقادیر زیادی از انرژی داخل سوخت را با حداقل اتلافات به آب منتقل می نمایند.
- سوخت دیگ های بخار ممکن است با توجه به عوامل متعددی انتخاب شود، به طوری که حتی زباله های قابل اشتعال نیز جزء این سوخت ها هستند. مشعل بویلرها می تواند قابلیت استفاده از چند نوع سوخت را داشته باشد تا در صورت قطع یک سوخت (به طور مثال گاز)، از سیستم جایگزین (به طور مثال گازوئیل) استفاده گردد.
- سیستم های بازیافت انرژی پر راندمان می توانند به طور محسوس هزینه های بلودان را کاهش داده و مقادیر قابل توجهی از کندانس را به دیگ بخار برگردانند و در افزایش راندمان کلی سیستم ایفای نقش کنند. افزایش تعداد سیکل های ترکیبی حرارت و قدرت (CHP) به لطف وجود بخار در صنعت مدرن امروز مقدور شده است.
ب) سهولت انتقال بخار به سمت مصرف کننده ها
بخار یکی از پر مصرف ترین سیالات جهت انتقال حرارت در فواصل طولانی است. از آنجائی که عامل جریان بخار در طول لوله با توجه به افت فشار کلی بین شروع و انتهای خط می باشد، در این نوع سیستم ها نیازی به استفاده از پمپ های گران قیمت نمی باشد. با توجه به ضریب جذب حرارت بالای بخار و کاهش حجم بخار در فشارهای بالاتر، یک لوله نسبتاً کوچک بخار می تواند دبی و انرژی قابل توجهی را منتقل نموده و در صورت لزوم با کاهش فشار در نقطه مصرف به مصرف کننده تحویل دهد. این سیستم نسبت به بسیاری از سیالات حامل حرارت دیگر، ارزان تر خواهد بود.
به طور کلی، شرایط فرآیندی و هزینه های عمومی تولید، توزیع و استفاده از بخار و نیز برگشت کندانس در بسیاری از موارد شما را بر آن می دارد تا ترجیحاً از بخار به جای سیالاتی نظیر آب داغ، روغن داغ، الکتریسیته و… استفاده نمایید.
ج) قابلیت کنترل آسان
از آنجایی که فشار و دمای بخار اشباع به طور مستقیم با یکدیگر در ارتباط هستند، میزان انرژی انتقالی به فرآیند به راحتی و با کنترل فشار بخار، کنترل می گردد. کنترلر های مدرن بخار طوری طراحی شده اند تا به سرعت به تغییرات فرآیند پاسخ دهند. شکل 2 نشان دهنده یک شیر کنترل دو راهه با اکچویتور پنوماتیکی می باشد که جهت استفاده در خطوط بخار طراحی شده است. دقت شیر با استفاده از پوزیشنر پنوماتیکی تامین می گردد. استفاده از شیرهای دو راهه به جای شیرهای سه راهه متداول در سیستم های آبی، کنترل و نصب راحت تری داشته و طبیعتاً هزینه کمتری را نیز دارا می باشند.
شکل 2 – شیر کنترل دو راهه با اکچویتور و پوزیشنر پنوماتیکی
د) انتقال آسان انرژی بخار به فرآیند
بخار دارای ضریب انتقال حرارت فوق العاده ای می باشد. همچنین هنگامی که بخار به محل مصرف می رسد، به علت تغییر فاز و کندانس شدن آن، انرژی قابل توجهی به فرآیند منتقل می شود. بخار می تواند فرآیند را احاطه نموده و یا مستقیماً به داخل آن تزریق گردد. بخار به راحتی هر فضایی را با دمای یکنواخت پر نموده و انرژی لازم را با کندانس شدن در دمای ثابت تامین می نماید. این امر گرادیان دما در سطوح انتقال حرارت را خنثی می نماید. (مساله ای که اغلب در روغن داغ و یا آب داغ اتفاق افتاده و ممکن است به مشکلاتی نظیر کاهش کیفیت محصول منجر شود)
از آنجایی که نرخ انتقال حرارت بخار بسیار بالاست، سطوح انتقال حرارت لازم نسبتاً کوچک می باشند. این امر به کوچک تر شدن سایت و کاهش فضای مورد نیاز جهت استقرار تجهیزات، کاهش هزینه های تامین و سهولت نصب منجر می گردد. یک پکیج مدرن تولید آب گرم به وسیله بخار به قدرت KW 1200 شامل کلیه سطوح انتقال حرارت و کنترل ها، تنها به سطحی در حدود m7/0 جهت نصب نیازمند است. در مقایسه، پکیج مشابه از نوع مبدل پوسته لوله ای به فضای نصب دو یا سه برابر نیازمند است.
شکل 3 – دیگ بخار و تجهیزات جانبی
ه) قابلیت مدیریت آسان سایت های مدرن بخار
امروزه، کاربران صنعتی انرژی به دنبال روش های مناسب جهت افزایش راندمان و کاهش هزینه تولید می باشند. موافقت نامه بین المللی Kyoto جهت حفظ سلامت آب و هوا لزوم افزایش راندمان سیستم را طلب می کند. در بازار رقابتی امروز، کاهش هزینه تولید مزیتی مهم به شمار می رود. هزینه های تولید می تواند به معنی حفظ بقا یا محو شدن از بازار جهانی باشد.
از روش های افزایش راندمان، مانیتورینگ مصرف انرژی و هزینه ها در بخش های مرتبط می باشد. بدینوسیله می توان از هزینه های عمومی مطلع گردید و مدیریت انرژی را اعمال نمود. هزینه های متغیر نیز با اطمینان از تعمیرات و نگهداری مناسب و با برنامه کاهش خواهند یافت که این امر باعث افزایش راندمان، بهبود کیفیت و کاهش زمان های توقف تولید می گردد. اکثر کنترلرهای بخار قابلیت اتصال به شبکه مدرن صنعتی مانند سیستم های SCADA، EMS یا BMS را دارا هستند.
سیستم بخار در صورت نگهداری مناسب، سالیان طولانی عمر نموده و بسیاری از شرایط سیستم به راحتی قابل مانیتورینگ می باشد. در مقایسه با دیگر سیستم ها، مدیریت با برنامه و مانیتورینگ تله های بخار به راحتی و با تجهیزات مدرن قابل انجام بوده و هر گونه نشتی یا انسداد به صورت اتوماتیک و به سرعت به اطلاع مهندسین و تکنسین های مربوطه رسانده خواهند شد.
در مقایسه می توان از سیستم های گران قیمت مانیتورینگ نشتی گاز یا فرآیند وقت گیر مانیتورینگ دستی روغن یا سیستم های آبی نام برد. علاوه براین، هنگامی که یک سیستم بخار احتیاج به تعمیرات و نگهداری دارد، بخش مربوطه به راحتی ایزوله شده و به سرعت تخلیه می گردد و این بدین معنی است که تعمیرات می تواند به سرعت انجام گیرد. به دلایل متعدد، به روز آوری و نوسازی سیستم بخار با تجهیزات مانیتورینگ و کنترل، بسیار مقرون به صرفه تر از روش های جایگزین مانند سیستم های گازی غیر مرکزی می باشد.
و) انعطاف بالای سیستم های بخار
بخار نه تنها حامل بسیار مناسب انرژی است، بلکه به علت پاکیزه بودن در صنایع غذایی، دارویی و … کاربردهای فراوان دارد و همچنین به صورت گسترده در اتوکلاوهای بیمارستانی و … به منظور استریل نمودن تجهیزات استفاده می گردد. از جمله صنایع دیگری که از بخار استفاده می نمایند سایت های عظیم نفتی و پتروشیمی و پالایشگاهی می باشند. صنایع کاغذ سازی، نساجی، نوشابه سازی، غذائی، چرم سازی و لاستیک سازی، تهویه مطبوع و رطوبت زنی، خشک شوئی، مهمات سازی و… نیز از موارد دیگر می باشند.
بخار به طور ذاتی خطرناک نبوده و باعث ایجاد جرقه یا اشتعال نمی شود. بسیاری از سایت های پتروشیمی از سیستم های آتش نشانی بخار استفاده می کنند و بنابراین در مناطق خطرناک و قابل انفجار سیالی کاملاً مطمئن می باشد. به طور کلی مزایای بخار را می توان در جدول زیر دسته بندی نمود:
| مزایای سیستمی | کوچک بودن قطر لوله ها
عدم نیاز به پمپ و بالانس سیستم امکان استفاده از شیرهای دو راهه (نسبتا ارزان تر) هزینه اولیه و نگهداری نسبتا پائین خصوصا در سایت های بزرگ و متفرق بویلرها و موتورخانه های کاملا مدرن و اتوماتیک صدای کم اندازه سیستم کوچک تر از سیستم های معادل آبی و … عمر کاری نسبتا بالا |
| مزایای ذاتی | در دسترس و ارزان بودن آب به عنوان سیال سیستم
تمیزی و خلوص بخار قابلیت بالای ذخیره انرژی امکان کنترل دمای بخار با توجه به تناسب فشار و دما انتقال حرارت در دمای ثابت |
| مزایای زیست محیطی | راندمان بسیار بالای بویلرهای بخار
امکان بازیافت کندانس و ایجاد سیستم های بازیافت انرژی بخار قابلیت اندازه گیری و مدیریت دارد. استفاده در سیکل های ترکیبیCHP با راندمان بالا عدم آلایندگی محیط زیست |
| موارد استفاده |
فرآیندهای پتروشیمی، فرآیندهای داروسازی، فرآیندهای صنایع غذایی، فرآیندهای لاستیک سازی، اتوکلاو های صنعتی و بیمارستانی، چیلرهای جذبی، رطوبتزنی هواسازها، گرمایش انواع مبدلها، تجهیزات گرمایشی از جمله یونیت هیترها و … |
مأخذ: کتاب مهندسی سیستم های بخار