ویژگیهای آب و بخار

آب یکی از سیالات کاربردی و ارزان است که به عنوان سیال عامل بهکار میرود. هنگامی که آب میجوشد و به بخار تبدیل میشود، حجم آن تقریباً ۱۶۰۰ برابر میشود و نیرویی تولید میکند که مانند باروت، انفجاری است. نیروی تولیدی از این انفجار، منبع قدرت موتور بخار است. همچنین بویلر را به یک وسیله بسیار خطرناک و حساس تبدیل میکند که باید با دقت فراوان با آن رفتار کرد.

مقدار نظری گرمایی که در بویلر از اشتعال سوخت به سیال عامل منتقل میشود برابر با اختلاف گرما بین خروجی و ورودی بویلر است. برای آنکه بتوانیم تجهیزات تولید بخار را طراحی کنیم، نیازمندیم تا ویژگیهای بخار سیال عامل، استفاده از جداول بخار اشباع و مافوق گرم را بشناسیم. این موضوعات در بررسی بخار ، به طور خلاصه در این بخش ذکر میشوند. هنگامی که صحبت از تغییر فاز آب به میان میآید فقط مایع-بخار و تغییر فاز مایع-بخار مطرح است. به همین دلیل این تغییرات فاز، مبنای تکنولوژی کل بویلر به حساب میآیند

جوشش آب

آب و بخار به طور معمول به عنوان حمل کنندگان گرما در سیستمهای گرمایی استفاده میشوند. بخار، فاز گازی آب ،نتیجه اضافه شدن مقدار قابل توجهی گرما به آب برای تبخیر شدن است. این فرآیند بویلر شامل سه مرحله است:

1. پیش گرمایش^۱: اضافه شدن گرما به آب که سبب افزایش دمای آن تا نقطه جوش میشود.
2. تبخیر^۲: ادامهی افزودن گرما که سبب تغییر فاز میشود.
3. سوپرهیتینگ^۳: گرما به بخار در دمای بالاتر از دمای جوش آب داده میشود.

در مرحله اول و سوم، افزودن گرما با افزایش دما همراه است اما تغییر فاز وجود ندارد، در حالیکه در مرحله دوم داستان به شکل دیگر است و با وجود دادن گرما تنها تغییر فاز مشاهده میشود و دما ثابت باقی میماند. در تصویر۶، قسمت چپ ،نشاندهنده مرحله پیشگرمایش، قسمت میانی نشاندهنده مرحله تبخیر و قسمت سوم نشاندهنده مرحله سوپرهیتینگ است. زمانی که تمام آب بتخیر شده است به بخار حاصل بخار اشباع خشک^۴ گویند. اگر بخار در ورای دمای اشباع گرما داده شود، دما دوباره شروع به افزایش میکند و بخار حالت قبل به بخار مافوق گرم تبدیل میشود. ای بخار مافوق گرم با رطوبت صفر تعریف میشود بدین معنی که هیچ گونه آبی در خود ندارد و کاملاً بخار است .

تبخیر و سوپرهیتینگ

در طی تبخیر، مقدار آنتالپی به شدت افزایش مییابد. اگر آب را در فشار اتمسفر از حالت مایع اشباع تا بخار اشباع گرما دهیم، آنتالپی ^kJ/kg 2260 افزایش مییابد. هنگامی که آب به حالت بخار اشباع خشک رسید، بخار دارای میزان قابل توجهی گرمای نهان)وابسته به گرمای داده شده به فرآیند در فشار و دمای ثابت( است. بنابراین علی رغم فشار و دمای یکسان بین حالت مایع و بخار، میزان گرما در حالت بخار در مقایسه با مایع بسیار بیشتر است.

اگر بخار بیشتر از حالت بخار اشباع خشک گرما دریافت کند، دما دوباره بالا میرود و ویژگیهای بخار به حالت گاز کامل میل میکند.بخار با دمای بیشتر از دمای اشباع، بخار مافوق گرم نام دارد. که دارای هیچ گونه طوبتی نیست و نمیتواند مایع شود تا زمانی که به نقطه بخار اشباع در همان فشار برسد. فرآیند سوپرهیتینگ برای کاهش و برطرف کردن امکان میعان در لولههای بخار، کاهش رطوبت در توربین)در نتیجه عمر بیشتر توربین( و افزایش بازدهی نیروگاه کاربردی است.

تاثیر فشار بر نقطه جوش

میدانیم که آب در دمای ^C° ۱۰۰و فشار اتمسفر میجوشد و تبخیر میشود. در فشارهای بالاتر از اتمسفر، دمای جوش بیشتر میشود. برای مثال در فشار ^bar10، دمای جوش به ^C°۱۸۴ میرسد. فشار و دمای گفته شده برای نقطه جوش، فشار و دمای اشباع نام دارند. در طی تبخیر، این دو پارامتر ثابت هستند اما اگر فرآیند در درون یک محفظه بسته صورت گیرد فشار و در نتیجه دما افزایش مییابد.

در تصویر۷ میتوانیم ببینیم که اگر فشار آب از یک فشار معین بالاتر رود، نمودار قطع خواهد شد. دلیل این است که مرز بین فاز مایع و گاز در این فشار نامشخص است. نقطهای که فازهای مختلف از بین میروند نقطه بحرانی^۱ نام دارد.

مقدمات اشتعال

فرآیند احتراق، یک فرآیند با سرعت بسیار بالا و واکنشی شیمیایی در دمای بسیار زیاد است. احتراق به هم پیوستن سریع یک عنصر یا یک ترکیب با اکسیژن است که اساساً به تولید گرما ختم میشود، در واقع یک انفجار کنترل شده است .

احتراق زمانی اتفاق میافتد که یک عنصر موجود در سوخت با اکسیژن ترکسیب شود و گرما تولید کند. تمام سوختها، چه جامد، چه مایع و چه گاز که شامل ترکیبات کربن و هیدروژن باشند، هیدروکربن نام دارند. سولفور هم در بین این دسته مواد قرار میگیرد.

محصولات احتراق

هنگامی که اکسیژن و هیدروژن با هم ترکیب شوند ، آب و گرمای بسیار حاصل میشود و اگر کربن و اکسیژن با هم ترکیب شوند، مشتقات کربن مثل کربن مونواکسید و کربن دی اکسید حاصل میشود  هنگامی که گوگرد و اکسیژن با هم ترکیب شوند، گرما و گوگرد دی اکسید حاصل میشود. این واکنشهای شیمیایی هنگام احتراق سوخت در کوره اتفاق میافتند که در آنجا هوای)اکسیژن( کافی برای احتراق سوخت فراهم شده است. در واقع مقدار بسیار کمی از کربن آزاد شده واقعا  از بین میرود چرا که دمای شعلهی کوره به ندرت از دمای تبخیرکربن بالاتر میرود. بیشتر کربن با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل کربن دی اکسید میدهد و به صورت یک دود مشهود از طریق سیستم تهویه دفع میشود. رنگ زرد شدید شعله کوره ها به دلیل ذرات کربن در حال سوختن موجود در آن شعلهها است . همانطور که در هنگام معرفی این بخش گفتیم ، بازده سوختن هیچگاه ۱۰۰% نیست و همه سوختن ها مقداری رطوبت یا موارد غیر قابل سوختن را در خود شامل میشوند :

• بهترین نوع زغال۲۰ % مواد غیر قابل احتراق دارد.
• نفت های رایج ۱۰% مواد غیر قاب سوختن دارند.
• گاز طبییعی بین ۱-۱۵% ) بسته به نوعش ( مواد غیز قابل سوختن مثل گاز های نیتروژن یا کربن دی اکسید دارند.

۱۲٫ انواع سوختن

سه نوع از سوختن وجود دارد:

• سوختن بی نقض^۱ وقتی اتفاق میافتد که تمام سوخت با استفاده از تنها هوای تئوری بسوزد، ولی همانطور که گفتیم در یک بویلر نمیتوان به سوختن کامل دست یافت.
• سوختن کامل^۲ وقتی اتفاق میافتد که تمام سوخت با استفاده از هوای کمی بیشتر از مقدار تئوری هوای مورد نیاز برای احتراق سوخت، بسوزد. سوختن کامل همیشه هدف ماست چراکه با سوختن کامل، سوخت با حداکثر بازده ممکن میسوزد و کمترین میزان آلودگی را دارد.
• سوختن ناقص^۳ هنگامی اتفاق میافتد که تمام سوخت نسوزد، که نتیجه آن تولید دوده و دود میشود.

احتراق سوختهای جامد

سوخت های جامد را میتوان به چند گروه تقسیم کرد: زغال رده بالا، زغال رده پایین و زغال سنگ نارس .مرسومترین روش های احتراق ، روش های pulverized firing ،cyclone firing ،grate firing و fluidized bed firing هستند .همانطور که در پایین گفته شده، ^{pulverized firing} در بویلر های صنعتی از ۶۰ ^MW تا ۶۰۰۰^MW استفاده میشود^. روشgrate firing  )تصویر۹( برای احتراق بیوسوختها در محدوده ۵MW  تا ۶۰۰MW  و روش cyclone firing در مقیاسهای کوچک ۶ MW-3  استفاده میشود.

احتراق زغال

نفت و گاز همیشه با استفاده از یک بارنر محترق میشوند اما ۳ راه مختلف برای احتراق زغال وجود دارد :

• احتراق نوع fluidized bed)
• احتراق نوع fixed bed )بویلرهای grate(
• احتراق نوع entrained bed احتراق زغال پودرشده(
• در احتراق fixed bed در این نوع تکههای بزرگ زغال در پایین محفظه احتراق با هوای کم تلاطم میسوزند.

بویلرهای stoker هم از این روش استفاده میکنند بویلرهای مقیاس بزرگتر که از روش پودرکردن زغال استفاده میکنند در در نیروگاهها استفاده میشوند که در آن ها معمولا از روش entrained bed استفاده میشود. در روش fluidized bed سوخت در یک بستر سیال وارد میشود و سپس سوزانده میشود.