بخار فراترکیب و نمودار فاز بخار

بخار اشباع‌شده

وقتی بخار اشباع‌شده که در دیگ بخار تولید می‌شود، از طریق سطوح انتقال حرارت عبور می‌کند، دمای آن بالاتر از نقطه جوش یا اشباع می‌رود. بخار را زمانی اشباع شده می‌گویند که دمای آن بیشتر از دمای اشباع باشد. درجه اشباع‌شدن مستقیماً با دمای بخار که بالاتر از دمای اشباع است، مرتبط است.

اشباع‌شدن فقط به بخار اشباع‌شده و نه به بخار حاوی رطوبت اعمال می‌شود. برای دستیابی به اشباع‌شدن، بخار اشباع‌شده باید از طریق یک مبدل حرارتی دیگر عبور کند. این مبدل حرارتی برای اشباع‌شدن درون دیگ به عنوان مبدل حرارتی ثانویه شناخته می‌شود. گاز دود خروجی از دیگ به عنوان بهترین روش برای گرم کردن بخار اشباع‌شده در نظر گرفته می‌شود.

بخار اشباع‌شده در نیروگاه‌های بخار برای تولید برق استفاده می‌شود. در توربین‌های بخار، بخار اشباع‌شده از یک سمت وارد شده و از سمت دیگر به مخزن تبخیر (می‌تواند از نوع آبی یا هوايی باشد) خارج می‌شود. تفاوت انرژی بخار اشباع‌شده بین ورودی و خروجی توربین باعث چرخش روتور توربین می‌شود. هنگام عبور از روتور توربین، انرژی بخار به تدریج کاهش می‌یابد.

بنابراین، لازم است که در ورودی توربین دمای کافی اشباع‌شده وجود داشته باشد تا از تبخیر بخار مرطوب در قسمت پایانی روتور توربین جلوگیری شود.

به طور کلی، روتور توربین بخار دارای چندین مرحله است و بخار باید از هر مرحله عبور کند قبل از رسیدن به مخزن تبخیر. بنابراین، اگر در ورودی توربین دمای کافی اشباع‌شده فراهم نشود، بخار ممکن است در مراحل پایانی روتور اشباع شده و در هر مرحله بعدی مرطوب‌تر شود.

بخار مرطوب در انتهای روتور بسیار خطرناک است زیرا می‌تواند منجر به ضربه آب و فرسایش شدید در مراحل آخر پره‌های توربین شود. برای رفع این مشکل، توصیه می‌شود که پارامترهای بخار ورودی توربین به گونه‌ای طراحی شود که بخار اشباع‌شده اجازه ورود به ورودی توربین را داشته باشد و خروجی توربین به گونه‌ای طراحی شود که پارامترهای بخار به شرایط نزدیک به اشباع نزدیک شود.

یکی از دلایل اصلی استفاده از بخار اشباع‌شده در توربین بخار، بهبود قابل توجه در کارایی گرمایی چرخه است.

کارایی موتور گرمایی می‌تواند با استفاده از یکی از دو روش زیر محاسبه شود:

کارایی چرخه کارنو: نسبت تفاوت دمای بین ورودی و خروجی به دمای ورودی.

کارایی چرخه رنکین: نسبت انرژی گرمایی در ورودی و خروجی توربین به کل انرژی گرمایی گرفته شده از بخار.
۲. مثالی از محاسبه کارایی چرخه کارنو و چرخه رنکین.
توضیح با مثال:
یک توربین با بخار اشباع‌شده در فشار ۹۶ بار و دمای ۴۹۰ درجه سانتیگراد تغذیه می‌شود. خروجی در فشار ۰.۰۹ بار و با ۱۲ درصد مرطوبیت است.
دمای بخار اشباع: ۴۳.۷ درجه سانتیگراد
تعیین و مقایسه کارایی چرخه کارنو و چرخه رنکین.
روند تعیین کارایی چرخه کارنو :

روند تعیین کارایی چرخه رنکین :
که،

enthalpy in condensate corresponding to exhaust pressure of 0.09 bar in KJ/Kg = 183.3
۳.
نمودار فاز-بخار نمایش گرافیکی داده‌های موجود در جدول بخار است. نمودار فاز-بخار رابطه بین enthalpy، دما و فشار مختلف را ارائه می‌دهد. Enthalpy مایع hf. این خط A-B در نمودار فاز نمایش داده می‌شود. وقتی آب شروع به دریافت گرما از ۰ درجه سانتیگراد می‌کند، تمام enthalpy مایع آن در طول خط آب اشباع A-B در نمودار فاز دریافت می‌کند.

enthalpy بخار اشباع (hfg): هرگونه افزودن گرما بعدی باعث تغییر فاز به بخار اشباع می‌شود و در نمودار فاز با (hfg) نمایش داده می‌شود یعنی B-C.

درصد خشکی (x): وقتی گرما اعمال می‌شود، مایع شروع به تغییر فاز از مایع به بخار می‌کند و درصد خشکی مخلوط شروع به افزایش می‌کند یعنی به یکی نزدیک می‌شود. در نمودار فاز، درصد خشکی مخلوط در خط BC دقیقاً ۰.۵ است. به همین ترتیب، در نقطه c در نمودار فاز، مقدار درصد خشکی ۱ است.

خط C-D نقطه c در خط بخار اشباع است، هرگونه افزودن گرما بعدی باعث افزایش دمای بخار می‌شود یعنی شروع اشباع‌شدن بخار که با خط C-D نمایش داده می‌شود.
منطقه مایع → ناحیه سمت چپ خط مایع اشباع
منطقه اشباع‌شده → ناحیه سمت راست خط بخار اشباع
منطقه دو فاز → ناحیه بین خط مایع و بخار اشباع شامل مخلوط مایع و بخار. مخلوط با درصدهای خشکی مختلف.
نقطه بحرانی → این نقطه اوجی است که خطوط مایع و بخار اشباع یکدیگر را ملاقات می‌کنند. enthalpy تبخیر در نقطه بحرانی به صفر می‌رسد، یعنی آب در نقطه بحرانی و پس از آن به طور مستقیم به بخار تبدیل می‌شود.
بالاترین دمایی که مایع می‌تواند داشته باشد یا وجود داشته باشد معادل نقطه بحرانی است.
پارامترهای نقطه بحرانی → دما ۳۷۴.۱۵ درجه سانتیگراد
فشار → ۲۲۱.۲ بار

مقادیر بالاتر از این مقادیر مقادیر فوق بحرانی هستند و مفید هستند برای افزایش کارایی چرخه رنکین.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.