توضیحی در مورد خواص و کاربردهای بخار فوق گرم (مانند تولید برق). شامل توضیحات چرخه ترمودینامیکی رانکین و کارنو، جداول بخار فوق گرم و نمودار Mollier (HS).
اگر بخار اشباع تولید شده در دیگ در معرض سطحی با دمای بالاتر قرار گیرد، دمای آن از دمای تبخیر بالاتر می رود.
سپس بخار با تعداد درجات دمایی که از طریق آنها بالاتر از دمای اشباع گرم شده است، به عنوان فوق گرم توصیف می شود.
هنگامی که بخار هنوز در مجاورت آب است، نمی توان سوپرگرم را به بخار منتقل کرد، زیرا هر گرمای اضافی به سادگی آب بیشتری را تبخیر می کند. بخار اشباع شده باید از یک مبدل حرارتی اضافی عبور داده شود. این ممکن است مرحله دوم تبادل حرارت در دیگ بخار یا یک واحد سوپرهیتر جداگانه باشد. محیط گرمایش اولیه ممکن است یا گاز دودکش داغ از دیگ باشد، یا ممکن است به طور جداگانه شلیک شود.
بخار فوق گرم کاربردهای خود را دارد، به عنوان مثال، در توربین هایی که بخار توسط نازل ها به روتور هدایت می شود. این باعث چرخش روتور می شود. انرژی لازم برای تحقق این امر تنها می تواند از بخار باشد، بنابراین به طور منطقی بخار پس از عبور از روتور توربین انرژی کمتری دارد. اگر بخار در دمای اشباع بود، این اتلاف انرژی باعث متراکم شدن مقداری از بخار می شد.
توربین ها دارای مراحل مختلفی هستند. بخار خروجی از روتور اول به روتور دوم در همان شفت هدایت می شود. این بدان معنی است که بخار اشباع شده با طی مراحل متوالی مرطوب و مرطوب تر می شود. این نه تنها باعث تقویت چکش آب می شود، بلکه ذرات آب باعث فرسایش شدید داخل توربین می شود. راه حل این است که توربین را با بخار فوق گرم در ورودی تامین کنید و از انرژی در قسمت فوق گرم برای به حرکت درآوردن روتور استفاده کنید تا زمانی که شرایط دما/فشار به حد اشباع نزدیک شود. و سپس بخار را تخلیه کنید.
یکی دیگر از دلایل بسیار مهم استفاده از بخار فوق گرم در توربین ها، بهبود راندمان حرارتی است.
راندمان ترمودینامیکی یک موتور حرارتی مانند یک توربین، ممکن است با استفاده از یکی از دو نظریه تعیین شود:
(توجه: مقادیر استفاده شده برای دما و محتوای انرژی در مثال های زیر از جداول بخار می باشد)
دو نظریه
مثال 2.3.1
یک توربین با بخار فوق گرم در 90 بار در 450 درجه سانتی گراد عرضه می شود.
اگزوز در 0.06 بار a (خلاء جزئی) و 10٪ مرطوب است.
دمای اشباع = 36.2 درجه سانتی گراد.
2.3.1.1 تعیین بازده کارنو (ηC)
2.3.1.2 تعیین بازده رانکین (ηR)
برای چرخه نظری رانکین، شکل 2.3.2، فرض می شود که هیچ تلفات اصطکاکی در توربین وجود ندارد، انبساط کامل بخار در توربین اتفاق می افتد (ایسنتروپیک)، و انرژی اضافه شده توسط پمپ تغذیه میعانات برگشتی به دیگ را نادیده می گیرد.
با استفاده از مثال 2.3.1 که در آن:
- یک توربین با بخار فوق گرم در 90 بار در 450 درجه سانتی گراد عرضه می شود.
- اگزوز در 0.06 بار a (خلاء جزئی) و 10٪ مرطوب است.
- دمای اشباع = 36.2 درجه سانتی گراد.
این داده ها را می توان بر روی منحنی دما/آنتالپی همانطور که در شکل 2.3.3 نشان داده شده است ترسیم کرد:
بررسی این ارقام برای هر یک از چرخه ها نشان می دهد که برای دستیابی به راندمان بالا:
- دما یا انرژی در ورودی توربین باید تا حد امکان بالا باشد. این به معنای فشار و دمای بالا تا حد امکان عملی است. بخار فوق گرم ساده ترین راه برای تامین این امر است.
- دما یا انرژی در اگزوز باید تا حد امکان پایین باشد. این بدان معناست که تا آنجا که عملا ممکن است فشار و دمای پایینی وجود دارد و معمولاً توسط یک کندانسور روی اگزوز توربین به دست می آید.
یادداشت:
- ارقام محاسبه شده در مثال های 2.3.1.1 و 2.3.1.2 برای بازده ترمودینامیکی هستند و نباید با راندمان مکانیکی اشتباه گرفته شوند.
- اگرچه ارقام راندمان بسیار پایین به نظر می رسند، اما نباید آنها را به صورت مجزا در نظر گرفت، بلکه باید برای مقایسه یک نوع موتور حرارتی با دیگری استفاده کرد. به عنوان مثال، توربین های گاز، موتورهای بخار و موتورهای دیزل.
میزهای بخار سوپر گرم
میزهای بخار سوپرهیت خواص بخار را در فشارهای مختلف تقریباً به همان شکل میزهای بخار اشباع نشان می دهند. با این حال، با بخار فوق گرم هیچ رابطه مستقیمی بین دما و فشار وجود ندارد. بنابراین در یک فشار خاص ممکن است بخار فوق گرم در طیف وسیعی از دما وجود داشته باشد.
به طور کلی میزهای بخار اشباع فشار گیج را می دهند، جداول بخار سوپرهیت فشار مطلق را می دهند.
| نوار فشار مطلق a | واحدها | دما (درجه سانتیگراد) | |||||
| 1.013 | 150 | 200 | 250 | 300 | 400 | 500 | |
| vg / (m3 ) kg | 1.912 | 2.145 | 2.375 | 2.604 | 3.062 | 3.519 | |
| ( کیلوژول و g / کیلوگرم) | 2 583 | 2 659 | 2 734 | 2 811 | 2 968 | 3 131 | |
| ساعت گرم (کیلوژول/کیلوگرم) | 2 777 | 2 876 | 2 975 | 3 075 | 3 278 | 3 488 | |
| ثانیه گرم (کیلوژول/کیلوگرم K) | 7.608 | 7.828 | 8.027 | 8.209 | 8.537 | 8.828 | |
مثال 2.3.2
بخار فوق گرم با دمای 400 درجه سانتیگراد و فشار 1.013 بار در (0 بار گرم) چقدر بیشتر از بخار اشباع با فشار یکسان دارد؟
این ممکن است افزایش انرژی مفیدی به نظر برسد، اما در واقع زندگی را برای مهندسانی که می‌خواهند از بخار برای اهداف گرمایشی استفاده کنند، دشوارتر می‌کند.
از انرژی موجود در سوپرهیت نشان داده شده، ظرفیت گرمایی ویژه را می توان با تقسیم این مقدار بر اختلاف دمای بین دمای اشباع (100 درجه سانتیگراد) و دمای بخار فوق گرم (400 درجه سانتیگراد) تعیین کرد:
با این حال، بر خلاف ظرفیت گرمایی ویژه آب، ظرفیت گرمایی ویژه برای بخار فوق گرم به طور قابل توجهی با فشار و دما متفاوت است و نمی توان آن را به عنوان یک ثابت در نظر گرفت.
بنابراین مقدار 2.0 کیلوژول/کیلوگرم درجه سانتیگراد داده شده در بالا تنها میانگین ظرفیت گرمایی ویژه در محدوده دمایی مشخص شده برای آن فشار است.
هیچ رابطه مستقیمی بین دما، فشار و ظرفیت گرمایی ویژه بخار سوپرهیت وجود ندارد. با این حال، یک روند کلی به سمت افزایش ظرفیت گرمایی ویژه با افزایش فشار در درجات پایین سوپرهیت وجود دارد، اما همیشه اینطور نیست.
آیا می توان از بخار سوپرهیت در مبدل های حرارتی فرآیند و سایر فرآیندهای گرمایش استفاده کرد؟
اگرچه وسیله ایده آلی برای انتقال گرما نیست، بخار فوق گرم گاهی اوقات برای گرمایش فرآیند در بسیاری از کارخانه های بخار در سراسر جهان، به ویژه در HPI ها (صنایع پردازش هیدروکربن) که روغن و مواد پتروشیمی تولید می کنند، استفاده می شود. این به احتمال زیاد به این دلیل است که بخار فوق گرم در حال حاضر در محل برای تولید برق در دسترس است و منبع انرژی ترجیحی برای توربین ها است، نه به این دلیل که نسبت به بخار اشباع برای اهداف گرمایشی مزیتی دارد. برای روشن شدن این نکته، در بیشتر موارد، بخار اشباع شده باید برای فرآیندهای انتقال حرارت استفاده شود، حتی اگر به معنای گرم کردن بخار برای انجام این کار باشد. HPI ها اغلب بخار را تا حدود ده درجه سوپرهیت گرم می کنند. این درجه کوچک از سوپرهیت به راحتی در قسمت اول سطح گرمایش حذف می شود. مقادیر بیشتر سوپرهیت دشوارتر است و اغلب مقابله با آن غیراقتصادی است و (برای اهداف گرمایش) بهتر است از آن اجتناب شود.
دلایل زیادی وجود دارد که چرا بخار سوپرهیت به اندازه بخار اشباع برای گرمایش فرآیندی مناسب نیست:
بخار فوق گرم قبل از اینکه بتواند متراکم شود تا گرمای نهان خود را آزاد کند (آنتالپی تبخیر) باید تا دمای اشباع خنک شود. مقدار گرمایی که بخار فوق گرم در هنگام سرد شدن تا دمای اشباع داده می شود در مقایسه با آنتالپی تبخیر آن نسبتاً کم است.
اگر بخار فقط چند درجه فوق گرم داشته باشد، این مقدار اندک گرما قبل از متراکم شدن به سرعت از بین می رود. با این حال، اگر بخار درجه بالایی از سوپرگرم داشته باشد، ممکن است زمان نسبتاً طولانی برای خنک شدن طول بکشد، در این مدت بخار انرژی بسیار کمی آزاد می کند.
برخلاف بخار اشباع، دمای بخار فوق گرم یکنواخت نیست. بخار فوق گرم باید خنک شود تا گرما را از بین ببرد، در حالی که بخار اشباع شده تغییر فاز می دهد. این بدان معنی است که گرادیان دما روی سطح انتقال حرارت ممکن است با بخار فوق گرم رخ دهد.
در یک مبدل حرارتی، استفاده از بخار فوق گرم می تواند منجر به تشکیل ناحیه جوش دیوار خشک، نزدیک به ورق لوله شود. این ناحیه دیوار خشک می تواند به سرعت پوسته پوسته یا رسوب شود و دمای بالای دیواره لوله ممکن است باعث خرابی لوله شود.
این به وضوح نشان می دهد که در کاربردهای انتقال حرارت، بخار با درجه بالایی از گرما زیاد کاربرد کمی دارد زیرا:
- تا زمانی که به دمای اشباع خنک شود، گرمای کمی می دهد.
- با سرد شدن تا دمای اشباع، شیب دما را روی سطح انتقال حرارت ایجاد می کند.
- در حالی که بخار فوق گرم می شود، سرعت انتقال حرارت کمتری را فراهم می کند.
- به مناطق انتقال حرارت بزرگتر نیاز دارد.
بنابراین، بخار فوق گرم به اندازه بخار اشباع برای کاربردهای انتقال حرارت موثر نیست. این ممکن است عجیب به نظر برسد، با توجه به اینکه سرعت انتقال گرما در سراسر یک سطح گرمایش نسبت مستقیمی با اختلاف دما در سراسر آن دارد. اگر بخار سوپرهیت با همان فشار دمای بالاتری نسبت به بخار اشباع داشته باشد، مطمئناً بخار فوق گرم باید بتواند گرمای بیشتری را وارد کند؟ پاسخ به این “نه” است. اکنون این موضوع با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
درست است که تفاوت دما بر سرعت انتقال حرارت در سطح انتقال حرارت تأثیر خواهد داشت، همانطور که به وضوح معادله 2.5.3 نشان داده شده است.
معادله 2.5.3 همچنین نشان می دهد که انتقال حرارت به ضریب انتقال حرارت کلی ‘U’ و ناحیه انتقال حرارت ‘A’ بستگی دارد.
برای هر کاربرد واحد، منطقه انتقال حرارت ممکن است ثابت شود. با این حال، نمی توان همان را در مورد مقدار “U” گفت. و این تفاوت عمده بین بخار اشباع و بخار فوق گرم است.
مقدار کلی “U” برای بخار فوق گرم در طول فرآیند متفاوت است، اما همیشه بسیار کمتر از بخار اشباع خواهد بود. پیش‌بینی مقادیر «U» برای بخار فوق‌گرم دشوار است، زیرا این مقادیر به عوامل زیادی بستگی دارد، اما به طور کلی، هر چه درجه فوق‌گرم بالاتر باشد، مقدار «U» کمتر می‌شود.
به طور معمول، برای کویل بخار افقی که با آب احاطه شده است، مقادیر «U» ممکن است برای بخار فوق گرم بین 50 تا 100 وات بر متر مربع درجه سانتی گراد اما برای بخار اشباع 1200 وات بر متر مربع درجه سانتی گراد باشد، همانطور که در شکل 2.3.4 نشان داده شده است. .
برای کاربردهای بخار به روغن، مقادیر “U” ممکن است به طور قابل توجهی کمتر باشد، شاید به 20 W/m² درجه سانتی گراد برای بخار فوق گرم و 150 W/m² درجه سانتی گراد برای بخار اشباع شده باشد.
در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، 100 وات بر متر مربع درجه سانتیگراد برای بخار فوق گرم و 500 وات بر متر مربع درجه سانتیگراد برای بخار اشباع شده قابل انتظار است. این ارقام معمولی هستند. ارقام واقعی به دلیل سایر ملاحظات طراحی و عملیاتی متفاوت خواهد بود.
اگرچه دمای بخار فوق گرم همیشه بالاتر از بخار اشباع در همان فشار است، بنابراین توانایی آن در انتقال گرما بسیار کمتر است. اثر کلی این است که بخار فوق گرم در انتقال گرما بسیار کمتر از بخار اشباع در فشار یکسان است. بخش بعدی “فولینگ” جزئیات بیشتری را ارائه می دهد.
بخار سوپرهیت نه تنها در انتقال گرما مؤثر نیست،
بلکه تعیین کمیت با استفاده از معادله 2.5.3، Q = UA ΔT بسیار دشوار است، زیرا دمای بخار در هنگام عبور از سطح گرمایش گرمای خود را کاهش می دهد.
پیش بینی اندازه سطوح انتقال حرارت با استفاده از بخار فوق گرم دشوار و پیچیده است. در عمل، داده های اساسی مورد نیاز برای انجام چنین محاسباتی یا شناخته شده نیستند یا به طور تجربی به دست آمده اند، که قابلیت اطمینان و دقت آنها را زیر سوال می برد.
بدیهی است که از آنجایی که بخار فوق گرم در انتقال گرما کمتر از بخار اشباع شده موثر است، بنابراین هر ناحیه گرمایشی که از بخار فوق گرم استفاده می کند باید بزرگتر از یک سیم پیچ بخار اشباع شده باشد که با فشار یکسانی کار می کند تا جریان گرمایی یکسان را ارائه دهد.
اگر چاره‌ای جز استفاده از بخار فوق‌گرم وجود نداشته باشد، نمی‌توان بخار را در حالت فوق‌گرم خود در سراسر کویل گرمایش یا مبدل حرارتی حفظ کرد، زیرا وقتی مقداری از گرمای خود را به سیال ثانویه می‌دهد، به سمت دمای اشباع سرد می‌شود. . مقدار گرمای بالاتر از اشباع در مقایسه با مقدار زیادی که هنگام تراکم در دسترس است، بسیار کم است.
بخار باید نسبتاً زود در فرآیند به اشباع برسد. این اجازه می دهد تا بخار متراکم شود تا نرخ انتقال حرارت بالاتری تولید کند و منجر به یک مقدار کلی ‘U’ برای کل سیم پیچ شود، شکل 2.3.5 را ببینید.
برای کمک به این امر، بخار سوپرهیت مورد استفاده برای اهداف انتقال حرارت نباید بیش از 10 درجه سانتیگراد سوپرهیت نگه دارد.
اگر چنین باشد، طراحی مبدل حرارتی یا سیم پیچی با سطح گرمایش بر اساس بخار اشباع با فشار یکسان، با اضافه کردن مقدار معینی از سطح برای اجازه دادن به سوپرهیت، نسبتاً آسان و عملی است. با استفاده از این دستورالعمل، قسمت اول یک سیم پیچ صرفاً برای کاهش دمای بخار فوق گرم تا نقطه اشباع آن استفاده می شود. سپس بقیه سیم پیچ قادر خواهد بود از توانایی انتقال حرارت بالاتر بخار اشباع استفاده کند. نتیجه این است که مقدار کلی «U» ممکن است خیلی کمتر از بخار اشباع شده به سیم پیچ نباشد.
از تجربه عملی، اگر ناحیه گرمایش اضافی مورد نیاز برای بخار سوپرهیت 1٪ در هر 2 درجه سانتیگراد سوپرهیت باشد، سیم پیچ (یا مبدل حرارتی) به اندازه کافی بزرگ خواهد بود. به نظر می رسد که این تا 10 درجه سانتیگراد در سوپرهیت کار می کند. به دلیل نامتناسب بودن و غیراقتصادی بودن اندازه سطح حرارتی، تمایل به رسوب گیری توسط کثیفی و احتمال فساد محصول در اثر گرمای زیاد و ناهموار، استفاده از بخار فوق گرم بالای 10 درجه سانتیگراد برای اهداف گرمایش توصیه نمی شود. دما
رسوب کردن
رسوب ناشی از تجمع رسوبات روی سطح انتقال حرارت است که مقاومتی در برابر جریان گرما ایجاد می کند. بسیاری از مایعات فرآیندی می توانند لجن یا رسوب را روی سطوح گرم کننده رسوب دهند و در دماهای بالاتر این کار را با سرعت بیشتری انجام می دهند. علاوه بر این، بخار فوق گرم یک گاز خشک است. گرمای جاری از بخار به دیواره فلزی باید از لایه های ثابت چسبیده به دیوار عبور کند که در برابر جریان گرما مقاومت می کنند.
در مقابل، تراکم بخار اشباع شده باعث حرکت بخار به سمت دیوار و آزاد شدن مقادیر زیادی گرمای نهان درست در سطح متراکم می شود. ترکیب این عوامل به این معنی است که نرخ انتقال حرارت کلی در جایی که بخار فوق گرم وجود دارد بسیار کمتر است، حتی اگر اختلاف دمای بین بخار و سیال ثانویه بیشتر باشد.
مثال 2.3.3 اندازه یک بسته لوله برای بخار فوق گرم
بخار فوق گرم در 3 بار گرم با 10 درجه سانتیگراد سوپرهیت (154 درجه سانتیگراد) به عنوان منبع گرمای اولیه برای مبدل حرارتی فرآیند پوسته و لوله با بار گرمایش 250 کیلو وات استفاده می شود و سیال مبتنی بر روغن را از 80 درجه گرم می کند. C تا 120 درجه سانتیگراد (میانگین حسابی دمای ثانویه (ΔT AM ) 100 درجه سانتیگراد). مساحت کویل بخار اولیه مورد نیاز را تخمین بزنید.
(برای ساده نگه داشتن این محاسبه از اختلاف دمای میانگین حسابی استفاده می شود؛ در عمل، میانگین دماهای لگاریتمی برای دقت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. لطفاً برای جزئیات در مورد تفاوت های میانگین دمایی حسابی و لگاریتمی به ماژول 2.5 ‘انتقال حرارت’ مراجعه کنید).
ابتدا سیم پیچ را در نظر بگیرید که بوسیله بخار اشباع در 3 بار گرم (144 درجه سانتیگراد) گرم شده باشد.
مقدار “U” برای روغن گرمایش بخار اشباع شده از طریق کویل فولاد کربنی جدید 500 وات بر مترمربع درجه سانتیگراد است.
کاربردهای دیگر با استفاده از بخار فوق گرم
تمام موارد فوق زمانی اعمال می شود که بخار از طریق یک گذرگاه نسبتاً باریک، مانند لوله های یک مبدل حرارتی پوسته و لوله یا صفحات در مبدل حرارتی صفحه ای، جریان می یابد.
در برخی کاربردها، شاید یک سیلندر خشک کن در یک ماشین کاغذ، بخار فوق گرم به حجم بیشتری وارد می شود، زمانی که سرعت آن به مقادیر بسیار کوچک کاهش می یابد. در اینجا، بخار در نزدیکی دیواره سیلندر به سرعت دمایش را تا نزدیک به اشباع کاهش می دهد و میعان شروع می شود. سپس جریان گرما از طریق دیواره مانند بخار اشباع شده سیلندر است. سوپرحرارت فقط در “هسته” در فضای بخار وجود دارد و هیچ اثر قابل تشخیصی بر نرخ انتقال حرارت ندارد.
مواردی وجود دارد که وجود سوپرهیت در واقع می تواند عملکرد یک فرآیند را کاهش دهد، جایی که بخار به عنوان یک ماده فرآیند استفاده می شود.
یکی از این فرآیندها ممکن است شامل رساندن رطوبت به محصول از بخار در حین متراکم شدن آن باشد، مانند تهویه غذای حیوانات (کنجاله) قبل از گلوله سازی. در اینجا رطوبت تامین شده توسط بخار بخش اساسی فرآیند است. بخار فوق گرم غذا را بیش از حد خشک می کند و گلوله شدن را مشکل می کند.
اثرات کاهش فشار بخار
علاوه بر استفاده از یک مبدل حرارتی اضافی (که معمولاً “سوپرهیتر” نامیده می شود)، می توان سوپر گرما را با اجازه دادن به بخار به فشار کمتری در حین عبور از دهانه یک شیر کاهنده فشار، به بخار منتقل کرد. این یک فرآیند دریچه گاز نامیده می شود که بخار فشار پایین تر آنتالپی یکسانی (به غیر از مقدار کمی از دست رفته در اثر اصطکاک در عبور از شیر) به عنوان بخار فشار بالا بالادست دارد. با این حال، دمای بخار دریچه گاز همیشه کمتر از بخار تامین خواهد بود.
وضعیت بخار دریچه گاز به موارد زیر بستگی دارد:
- فشار بخار تامین.
- وضعیت بخار عرضه.
- افت فشار در سرتاسر دهانه شیر.
برای تامین بخار زیر 30 بار گرم در حالت اشباع خشک، هر افت فشار پس از دریچه گاز بخار فوق گرم تولید می کند. درجه سوپرهیت به میزان کاهش فشار بستگی دارد.
برای تامین بخار بالای 30 بار گرم در حالت اشباع خشک، بسته به میزان افت فشار، بخار دریچه گاز ممکن است فوق گرم، اشباع خشک یا حتی مرطوب باشد. برای مثال، بخار اشباع خشک در 60 بار گرم باید به تقریباً 10.5 بار گرم کاهش یابد تا بخار اشباع خشک تولید شود. هر افت فشار کمتری بخار مرطوب تولید می کند، در حالی که هر افت فشار بیشتر بخار فوق گرم تولید می کند.
به همین ترتیب، وضعیت بخار عرضه شده در هر فشاری بر وضعیت بخار دریچه گاز تأثیر می گذارد. برای مثال، بخار مرطوب در فشار 10 بار گرم و کسر خشکی 0.95 باید به 0.135 بار گرم کاهش یابد تا بخار اشباع خشک تولید شود. هر افت فشار کمتری بخار مرطوب تولید می کند در حالی که هر افت فشار بیشتر بخار گاز گرفته را فوق گرم می کند.
مثال 2.3.4 افزایش خشکی بخار مرطوب با شیر کنترل
بخار با کسر خشکی (χ) 0.95 با استفاده از یک شیر کاهش فشار از 6 بار گرم به 1 بار گرم کاهش می یابد.
شرایط بخار بعد از شیر کاهنده فشار را تعیین کنید.
از آنجایی که آنتالپی واقعی بخار در 1 بار گرم کمتر از آنتالپی بخار اشباع خشک در 1 بار گرم است، بنابراین بخار فوق گرم نمی شود و همچنان مقداری از رطوبت را در محتوای خود حفظ می کند.
از آنجایی که کل آنتالپی پس از شیر کاهنده فشار کمتر از کل آنتالپی بخار در 1 بار گرم است، بخار هنوز مرطوب است.
مثال 2.3.5 سوپرهیت ایجاد شده توسط یک شیر کنترل
بخار با کسر خشکی 0.98 با استفاده از یک شیر کاهش فشار (همانطور که در شکل 2.3.6 نشان داده شده است) از 10 بار گرم به 1 بار گرم کاهش می یابد.
درجه سوپرهیت بعد از شیر را تعیین کنید.
همانطور که در مثال قبلی (2.3.4)، آنتالپی مخصوص بخار اشباع خشک (Hg) در 1 barg 2706.7 کیلوژول بر کیلوگرم است.
آنتالپی کل واقعی بخار بیشتر از کل آنتالپی (Hg) بخار اشباع خشک در 1 بار گرم است. بنابراین بخار نه تنها 100٪ خشک است، بلکه دارای درجه ای از گرمای فوق العاده است.
انرژی اضافی = 2 741.7 – 2 706.7 = 35 کیلوژول بر کیلوگرم، و این برای افزایش دمای بخار از دمای اشباع 120 درجه سانتیگراد به 136 درجه سانتیگراد استفاده می شود.
درجه حرارت فوق العاده را می توان با استفاده از جداول بخار فوق گرم یا با استفاده از نمودار Mollier تعیین کرد.
نمودار مولیر
نمودار Mollier نمودار آنتالپی خاص بخار در برابر آنتروپی خاص آن (s g ) است.
شکل 2.3.7 یک نسخه ساده شده و در مقیاس کوچک از نمودار Mollier را نشان می دهد. نمودار Mollier بسیاری از روابط مختلف بین آنتالپی، آنتروپی، دما، فشار و کسر خشکی را نشان می دهد. ممکن است به دلیل تعداد خطوط، بسیار پیچیده به نظر برسد:
خطوط آنتالپی ثابت (افقی).
خطوط آنتروپی ثابت (عمودی).
منحنی اشباع بخار در مرکز نمودار آن را به یک منطقه بخار فوق گرم و یک منطقه بخار مرطوب تقسیم می کند. در هر نقطه بالاتر از منحنی اشباع، بخار فوق گرم است و در هر نقطه زیر منحنی اشباع، بخار مرطوب است. منحنی اشباع خود نشان دهنده وضعیت بخار اشباع خشک در فشارهای مختلف است.
خطوط فشار ثابت در هر دو منطقه.
خطوط دمای ثابت در منطقه سوپرهیت.
خطوط کسر خشکی ثابت (χ) در ناحیه مرطوب.
مثال 2.3.6 انبساط ایزنتروپیک کامل که منجر به کار می شود
انبساط کامل بخار از طریق یک توربین را در نظر بگیرید. در ابتدا فشار 50 بار a، دما 300 درجه سانتیگراد و فشار نهایی 0.04 بار در a است.
از آنجایی که فرآیند یک انبساط کامل است، آنتروپی ثابت می ماند. شرایط نهایی را می توان با انداختن عمودی به سمت پایین از شرایط اولیه به 0.04 بار یک خط فشار ثابت پیدا کرد (شکل 2.3.9 را ببینید).
در شرایط اولیه، آنتروپی تقریباً 6.25 کیلوژول بر کیلوگرم درجه سانتیگراد است. اگر این خط به صورت عمودی به سمت پایین دنبال شود تا به 0.04 bar a برسد، می توان وضعیت نهایی بخار را ارزیابی کرد. در این مرحله آنتالپی ویژه 1890 کیلوژول بر کیلوگرم و کسر خشکی 0.72 است (شکل 2.3.9 را ببینید).
وضعیت نهایی را نیز می توان با استفاده از جداول بخار فوق گرم تعیین کرد.
از آنجایی که آنتروپی بخار اشباع خشک در 0.04 bar a (8.473 کیلوژول بر کیلوگرم درجه سانتیگراد) بیشتر از آنتروپی بخار فوق گرم در 50 بار در درجه سانتیگراد / 300 درجه سانتیگراد (6.212 کیلوژول بر کیلوگرم درجه سانتیگراد) است، نتیجه می شود که برخی از بخار اشباع خشک برای حفظ آنتروپی ثابت باید متراکم شده باشد.
همانطور که آنتروپی ثابت می ماند، در شرایط نهایی:
این پاسخ ها با نتایج به دست آمده با استفاده از نمودار Mollier مطابقت نزدیکی دارند. با توجه به عدم دقت در خواندن نموداری مانند این، تفاوت کمی در مقدار بین دو مجموعه از نتایج قابل انتظار است.