نگاهی نوین پیرامون تله‌های بخار (قسمت اول)

شکل(1) انهدام لوله بخار 24 اینچ بخار در نیویورک (سال 2007) بر اثر ضربه چکش را نشان میدهد که منجر به کشته شدن یک فرد و مجروح شدن 2 نفر گشت.

 طبیعی است که هر مکانیزم مکانیکی دارای  فرسایش می شود و تله های بخار نیز از این قانون جدا نیستند. در صورت ایجاد نشتی در تله ها، مقداری از بخار مستقیماً به اتمسفر و یا سیستم برگشت کندانس تخلیه می شود.

در صورت نشتی بخار به محوطه، خطرات ایمنی و نیز آلودگی صوتی ایجاد شده و لازم است تا مقدار جرم معادل از آب تازه سختی‌گیری و پردازش شده به سیستم تزریق و تا دمای بویلر گرم شود.

در خطوط کندانسی که با تله های بخار دارای نشتی کار می‌کنند، ممکن است فشار داخلی لوله بالا رفته و در نتیجه قابلیت تخلیه کندانس تله های بخار  کاهش یابد. همچنین افزایش سرعت جریان دو فازی در این خطوط و خوردگی حاصل غیر قابل اجتناب خواهد بود. حتی با بازگشت نهایی این مخلوط به تانک ‌های اتمسفریک کندانس، مقدار زیادی از جرم آب و انرژی مستتر (موجود در بخار زنده و بخار فلاش) از دست خواهد رفت.

در صورت عدم توجه و بررسی به این اتلافات و رفع آنها، کاهش راندمان عمومی سیستم غیر قابل اجتناب خواهد بود.

هر شخصی که بخواهد عملیاتی نظیر بهره برداری، نگهداری و یا بهینه سازی تله های بخار انجام دهد، با درک و شناخت تله های بخار و خواص عملکردی آنها کار راحت ‌تر و موفق ‌تری را پیش رو خواهد داشت.

یک تله بخار، کندانس و هوا و گازهای نامحلول را از سیستم تخلیه کرده و به بخار اجازه می دهد تا با بالاترین راندمان و با صرفه اقتصادی وظیفه خود را انجام دهد.

مقدار کندانسی که تله بخار باید تخلیه کند بطرز قابل ملاحظه ای متغیر است. در برخی از کاربردها  نظیر یک “ری بویلر” یا مبدل حرارتی کندانس باید دقیقاً در دمای بخار و به محض تشکیل خارج شود. در مواردی مانند برخی از تریسرها، دمای کندانس تا اندازه‌ای کمتر از دمای بخار شده و سپس به خروجی از تله تخلیه می شود تا از انرژی محسوس آن حداکثر استفاده به عمل آید.

فشار کاری تله های بخار ممکن است بین شرایط خلأ تا صدها بار متفاوت باشد. مدل‌های مختلفی جهت تطبیق با این شرایط مختلف ساخته شده‌اند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. تجربه نشان می‌دهد که در صورت استفاده از تله بخار مناسب جهت هر کاربرد و شرایط مربوط، راندمان کاری بهینه خواهد بود. در نگاه اول ممکن است این شرایط چندان متفاوت نباشند. ولی عملا شامل تغییرات در فشار کار، بار حرارتی و مقدار کندانس، فشار برگشتی در خط کندانس، ارتعاشات، یخ زدگی و …. هستند. همچنین برخی از آنها در برابر خوردگی و یا ذرات ناخالص حساس هستند. بخار دما بالا و سوپر هیت از عوامل محدود کننده دیگر است. این شرایط هرچه که باشند، اهمیت انتخاب درست تله بخار جهت اطمینان از عملکرد مناسب سیستم را بیشتر می کند.

حتما توجه کنید که تجربه نشان داده است که یک نوع تله بخار نمی تواند تمامی کاربردها را پوشش دهد. بنابراین چند دسته عمده از تله های بخار تولید و مورد استفاده قرار می گیرند:

الف- تله های بخار ترمودینامیک جهت استفاده در مواردی مانند خطوط انتقال بخار، تریسرهای بحرانی و مناطق  فشار بالا

ب- تله های بخار ترموستاتیک کپسولی جهت مواردی مانند تریسرهای غیر بحرانی، اتوکلاوها، رادیاتورهای بخار و ……

ج- تله های بخار ترموستاتیک بایمتالیک، جهت پوشش مواردی مانند ردیف ب ولی با فشارهای بالا و شرایط کاری سخت‌تر

د- تله های بخار مکانیکی (فلوتری و یا سطل معکوس) جهت انواع مبدل های حرارتی و تجهیزات فرایندی، کویل های بخار و …..

ملاحظات انتخاب تله بخار

در زمان راه اندازی سیستم، تمامی فضای لوله‌ها و تجهیزات پر از هوا است. در صورت عدم تخلیه کامل هوا، نرخ انتقال حرارت کاهش یافته و زمان گرمایش سیستم بصورت قابل ملاحظه افزایش می یابد. بنابراین مهم است که هوا با سرعت هرچه بیشتر از سیستم تخلیه شود و فرصت اختلاط کامل با بخار را پیدا نکند. در صورت مخلوط شدن این دو گاز، جداسازی آنها فقط در صورت کندانس شدن بخار مقدور خواهد بود. شیرهای هواگیر اتوماتیک ابزاری سودمند جهت تخلیه این هوا از فضای بخار هستند.

البته مقادیر کمی از گازها بصورت مداوم در زمان تبخیر آب در بویلر آزاد می شوند که همراه با بخار به داخل سیستم انتقال می یابند. در فضاها و تجهیزات مصرف کننده حجیم و بزرگ بخار، ممکن است نیاز به شیرهای هواگیر مجزایی باشد ولی در اکثر موارد نیاز به تخلیه هوا از داخل تله های بخار وجود دارد.

مزیت ویژه تله های بخار ترموستاتیک نسبت به دیگر تله های بخار، در زمان راه‌اندازی سیستم است، زیرا کاملاً باز شده و هوا را به سرعت تخلیه می کنند. همچنین تله های بخار فلوتری با شیر هواگیر ترموستاتیک داخلی نیز قابلیت تخلیه هوای خوبی را دارا هستند. در مقابل، انواع ترمودینامیک با تخلیه هوای کندتر عمل نموده و تله های بخار سطلی نیز در پایین ترین سطح از نظر سرعت تخلیه هوا قرار دارند.

گذشته از تخلیه هوا، مسئله مهم‌تر قابلیت عبور کندانس با حفظ همزمان بخار قبل از تله است. هر گونه نشتی  بخار در این زمان، غیر اقتصادی و با راندمان کم است. در تجهیزاتی مانند مبدل های حرارتی بخار  که آهنگ انتقال حرارت و پایداری سیستم نیازی اساسی جهت فرایند محسوب می شود، کندانس باید بمحض تشکیل و در دمای بخار خارج شود. آب‌ گرفتگی در فضای بخار مبدل های حرارتی در اثر نصب تله بخار نادرست، یکی از عوامل کاهش راندمان سیستم در بسیاری از سایت ‌ها است.

تجهیزات فرایندی، خطوط تریسر و یا خطوط انتقال بخار دارای ویژگی های متفاوت بوده و بسته به شرایط هر قسمت به تله های بخار مختلفی نیاز دارند. اندازه تله بخار به مقدار کندانس، شرایط فشار ورود و خروج و نیز نحوه بهره برداری از سیستم بستگی دارد. بطور مثال در مورد یک مصرف‌کننده بخار با کنترل دمای اتوماتیک، فشار بخار ورودی بعد از شیر کنترل تغییر نموده و در زمان کاهش بار حرارتی ممکن است تا حد نزدیک به فشار کندانس کاهش یابد.  این افت در اختلاف فشار کاری تله بخار به کاهش عبور کندانس منجر شده و بنابراین باید در زمان اندازه‌گذاری تله بخار در نظر گرفته شود.

فاکتور دیگر که در اندازه تله بخار تاثیرگذار است، نحوه اتصال و لوله‌ کشی کندانس و بخار است. در صورتیکه لوله کندانس خروجی از تله بخار به صورت رایزر ارتفاع می‌گیرد، موجب ایجاد فشار معکوس بر تله بخار خواهد شد. این امر به کاهش ظرفیت عبور کندانس منجر شده و باید در نظر گرفته شود. در صورتیکه  اندازه لوله اصلی برگشت کندانس بسیار کوچک باشد، (بطور مثال وقتی تاثیر بخار فلاش و حجم زیاد آن در مقایسه با حجم کندانس در اندازه گزاری لوله کندانس دیده نشود) افزایش فشار موضعی خط ممکن است بحدی باشد که تله های بخار فشار پایین قادر به تخلیه کامل کندانس نباشند.

بصورت عمده، خطوط اصلی کندانس باید قادر به عبور آزادانه کندانس و بخار فلاش در حالت بار حداکثر و احتساب اختلاف فشار کاری کلیه تله های بخار باشد.

هر گونه شرایط متغیر کاری بهمراه حداکثر فشار و دمای سیستم در انتخاب تله بخار مناسب موثر می باشد.

 یک سیستم مناسب تله بخار معادل قابلیت اطمینان به سیستم یا به عبارتی عملکرد بهینه با حداقل توجه است. این پارامتر تحت تاثیر عوامل زیر می باشد:

1. خوردگی ناشی از شرایط و ویژگی‌های عمومی کندانس در هر مجموعه

بمنظور پوشش این مسئله باید از جنس بدنه و قطعات خاص استفاده کرد (بطور مثال رده‌ های مختلف استینلس استیل) و یا شرایط آب تغذیه بویلر را بهبود بخشید.

2. ضربات چکش موجود در خط کندانس ( بطور مثال در اثر قطر کم لوله‌ها)

این نوع از ضربه چکش  ناشی از کندانس شدن ناگهانی حباب‌های بخار در داخل مایع سردتر کندانس  و ترکیدن آنها است. علت بوجود آمدن این پدیده در اثر عواملی نظیر موارد ذیل است:

الف- زمانی که بخار زنده (از طریق تله های بخار دارای نشتی و یا شیرهای بای پس باز) و یا کندانس داغ تر به داخل خط کندانسی که مملو از آب با درجه حرارت پایین‌تر کار می‌کند تخلیه شود.

ب –زمان تخلیه کندانس سرد به خط کندانس تحت فشار و حاوی بخار فلاش

بطور مثال در تجهیزات دارای کنترل دمای اتوماتیک بعلت تغییر در فشار بخار ورودی، دمای کندانس خروجی متغیر بوده و ممکن است این پدیده را بوجود آورد و  نهایتاً خسارات ناخواسته به تله های بخار از عواقب حاصل است. راه حل رفع  این مشکلات طراحی مناسب سیستم بمنظور جلوگیری از ضربه چکش می باشد.

3. ذرات خارجی و رسوبات داخل خط کندانس و یا جرم های حاصل از مواد شیمیایی در آب بویلر که بداخل خط بخار رسوخ می کنند که به راحتی به مسدود شدن تله های بخار می انجامند.

بررسی اجمالی انواع تله های بخار

این تله ها بر اساس تغییر در دینامیک سیال و تبدیل کندانس داغ فشار بالا به مخلوطی از آب و بخار فلاش کار می کنند. تله های ترمودینامیک عملکرد ناگهانی دارند و در یک لحظه باز شده پس از تخلیه کامل کندانس به سرعت بسته می شوند. آهنگ باز و بسته شدن آنها به مقدار کندانس و دمای محیط بستگی دارد ولی در شرایط عادی ممکن است چندین بار در دقیقه باز و بسته شوند. دمای کندانسی که از تله خارج می شود در دمای بخار یا نزدیک به دمای آن است. در زمان فقدان کندانس، تله بخار باید کاملاً بسته بماند.

ویژگی این نوع از تله های بخار عبارتند از:

کوچک، ساختار داخلی ساده، سبک، قابلیت تخلیه کندانس زیاد نسبت به اندازه تله، قابل استفاده در بخار فشار بالا و سوپرهیت، مقاوم در برابر ضربه چکش،  ارتعاشات و انجماد.

این تله های بخار بر اساس تفاوت دمای بخار و کندانس کار می کنند. دمای تخلیه کندانس زیر دمای بخار اشباع بوده و اختلاف دمای تخلیه با توجه به نوع کپسولی که مناسب فرایند انتخاب شده قابل تغییر است. اگر در پشت تله کندانسی موجود نباشد، کاملاً بسته می ماند. میزان عبور کندانس تله به اختلاف فشار و همچنین مقدار کندانس ورودی دارد. در بارهای زیاد (مقادیر زیاد در کندانس ورودی) تله بخار تمایل به کارکرد ضربه‌ای و ناگهانی دارد و در بارهای کمتر، تخلیه کندانس بصورت جریان ملایمی از کندانس و چکه چکه دارد.

ویژگی های این نوع از تله های بخار ترموستاتیکی عبارتند از:

کوچک و سبک، قابلیت تخلیه کندانس زیاد نسبت به اندازه تله. قابلیت هواگیری بسیار خوب بعلت باز ماندن کامل شیر داخلی در زمان راه‌اندازی سیستم، عدم امکان انجماد در محیط‌های سرد مگر در صورت استفاده از رایزر کندانس بعد از تله بخار، تنظیم و انطباق اتوماتیک با تغییرات فشار کاری، تحمل بخار سوپر هیت

ج– تله های بخار ترموستاتیک بایمتالیک

دارای ویژگی مشابه با تله بخار کپسولی است و بصورت عمومی تله بخار مقاوم‌تر و مستحکم‌تری بوده و قابلیت استفاده در فشارهای بالاتر و بخار سوپر هیت را دارا است. عملکرد این نوع از تله های بخار بر اساس انبساط خطی المان های دو فلزی ناشی از اختلاف دمای کندانس و دمای متناظر با بخار اشباع می باشد.

د- تله های بخار فلوتری

اساس عملکرد بر مبنای تفاوت در دانسیته بخار و کندانس است. کندانس با همان دبی که تولید می‌شود از تله خارج می‌گردد و دمای تخلیه در همان دمای بخار اشباع است. تخلیه کندانس بصورت پیوسته و تابع میزان کندانس ورودی و فشار کاری سیستم است.

ه- تله های بخار سطل معکوس

از نظر اصول عملکردی مشابه با تله‌های بخار فلوتری است و قابل استفاده در فشارهای بالاتر است، گرچه به نظر نویسنده در فشارهای زیر 10 بار تله بخار فلوتری انتخاب ارجح می‌باشد. این تله بخار از مقاومت بالایی در مقابل ضربات چکش برخوردار بوده اما قابلیت تخلیه هوای ضعیفی داشته و امکان یخ زدگی در آنها وجود دارد.

در شماره بعد نکاتی در ارتباط با نصب، نگهداری و راهبری تله های بخار ارائه خواهد شد.

شرکت پویان پارس
از: مهندس عادل قهرمانی