بخار الماء

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

بخار الماء

بخار ماء

Steam -

بخار الماء

زهير مسالخي- يمن الأتاسي

تغيُّر خصائص البخار مع تغيُّر الضغط المؤثر فيه

طرائق توليد البخار

المراجل Boilers

طرائق التحكم المستخدمة في مراجل توليد البخار

يعرَّف بخار الماء water vapor بأنه الحالة التي يتحول فيها الماء من الحالة المائعة إلى الحالة الغازية نتيجة تعرضه لطاقة حرارية معيّنة، أو نتيجة انخفاض الضغط المؤثر في سطحه، الأمر الذي ينجم عنه تباعد جزيئات الماء بعضها عن بعض، فيتحول إلى بخار. ويعد البخار أكثر العناصر استخداماً كمائع عاملٍ في جميع دارات محركات الاحتراق الخارجي، ويستخدم أيضاً على نطاق واسع مائعاً حاملاً للطاقة في كثير من العمليات الصناعية، وفي تسخين الأجواء وتبريدها. ويساعد على ذلك وفرته وخواصه الفيزيائية والكيميائية.

من المعروف أن الماء يغلي في الدرجة 100° س في شروط الضغط الجوي القياسي (على سطح البحر)، وتتناقص هذه القيمة مع انخفاض الضغط المؤثر في الماء، أي بالارتفاع عن سطح البحر، وتزداد عند ازدياد الضغط، أي بالانخفاض عن سطح البحر كما يبين الخط البياني في الشكل (1).

الشكل (1) تغير درجة حرارة غليان الماء مع تغير الضغط المؤثر فيه.

تغيُّر خصائص البخار مع تغيُّر الضغط المؤثر فيه.

تتغير جميع خصائص البخار مع تغيُّر درجة حرارته أو الضغط المؤثر فيه؛ إضافة إلى تغيُّر نسبة رطوبته (كمية قطيرات أو عناقيد clusters أو رذاذ الماء المحمولة بالبخار)، إذ تتغير السعة الحرارية للبخار بتغير الحجم مع ثبات الضغط أو ثبات الحجم مع تغيُّر الضغط ودرجة الحرارة، كما يبين الخط البياني في الشكل (2).

الشكل (2) تغير السعة الحرارية مع ثبات الضغط (أزرق)

مع ثبات الحجم

لبخار الماء كتابع للضغط المؤثر فيه.

يمثل المنحني البياني المنقَّط في الشكل (3) جزء من مخطط الطور يظهر فيه تغير حالة الماء إلى «ماء صِرْف، بخار وماء، بخار صِرف» (ماء صِرف على يسار المنحني، بخار وماء داخل المنحني، بخار صِرف على يمين المنحني). يظهر هذا المنحني أن ضغط مزيج البخار والماء داخل المنحني البياني يظل ثابتاً بزيادة القدرة الحرارية (الأنطلبية) المعطاة للمزيج، ولكن الذي يتغير هو نسبة الماء إلى البخار، حيث تزداد نسبة البخار على حساب نسبة الماء؛ إلى أن تصبح كمية الماء كلها بخاراً، ويسمى عندئذٍ بخاراً محمصاً (جافاً) drysteam، وتزداد درجة التحميص بازدياد درجة حرارة البخار في حال ثبات الضغط، وتنعكس الآية عند تناقص درجة الحرارة. كذلك تزداد نسبة الماء على حساب البخار داخل المنحني عند زيادة الضغط المؤثر في البخار، ويظل محتوى القدرة الحرارية ثابتاً لغاية تجاوز الجزء الأيسر من المنحني، حيث يتحول كامل المزيج إلى ماءٍ صِرف، وتنعكس الآية عند تناقص الضغط، وتقابل قمة المنحني الحالة الحدية للماء.

الشكل (3) حالة البخار كتابع للقدرة الحرارية التي يختزنها ودرجة الحرارة المؤثرة فيه

تستخدم الرسوم البيانية للمساعدة على دراسة الحسابات الخاصة بالبخار والآلات التي تعمل به، أشهرها الرسم البياني الخاص بالأنطلبية enthalppy مع درجة الحرارة أو الضغط (الشكل 4)، ويمكن ملاحظة أن المنحني الأزرق (بشكل الجرس) يمثِّل حالة الإشباع، ويمثِّل القسم الأيسر منه حالة إشباع السائل (الماء)، والقسم الأيمن منه حالة إشباع البخار، وتمثِّل الخطوط الحمراء فيه الأنطلبية الثابتة، وتمثل الخطوط السوداء الضغط الثابت، أما الخطوط الخضراء فتمثِّل الحجم النوعي الثابت، وتمثِّل الخطوط المتقاطعة داخل الجرس ثبات نسبة البخار إلى الماء.

الشكل (4) رسم بياني لدرجة حرارة البخار بدلالة الأنطلبية

طرائق توليد البخار

عادةً ما يولَّد البخار باستخدام أجهزة تسمى المراجل، حيث يسخن الوقود أو الكهرباء كمية الماء المعبأة في خزان المرجل لتحويلها إلى بخار، ويمكن استخدام أي نوع من الوقود أو مصدر من مصادر الطاقة المختلفة سواءً كانت صلبة أم سائلة أم غازية أم كهربائية؛ إضافة إلى الطاقة المتولدة من التفاعلات النووية، والطاقة الشمسية.

المراجل Boilers

يُستخدم في عملية توليد البخار نوعان من المراجل، فهناك المراجل الأسطوانية والمراجل الأنبوبية. يتألف المرجل الأسطواني عادةً من أسطوانتين متداخلتين، يُعبأ الماء في الأسطوانة الخارجية، ويقوم اللهب الصادر من احتراق الوقود أو الحرارة المتولِّدة من الطاقة الكهربائية ضمن الأسطوانة الداخلية بتسخين الماء.

أما المرجل الأنبوبي فيتألف من أنبوب متعرج يحتوي على الماء تحيط به أسطوانة يحترق الوقود داخلها لتسخين الماء وتشكيل البخار، أو قد يكون العكس هو الصحيح، حيث تجري الغازات الساخنة والناجمة عن الاحتراق داخل مجموعة الأنابيب المغموسة في الماء المراد تبخيره. تحاط أسطوانة المرجل الخارجية عادةً بطبقات من العازل لتخفيف ضياع الحرارة إلى الجو الخارجي بهدف زيادة مردود المرجل. يبين الشكل (5) نموذجي المرجلين الأسطواني والأنبوبي، ويبين الشكل (6) صورةً لمرجل صناعي لتوليد البخار. أما في حالة المفاعلات النووية فيجري معدن الصوديوم المصهور، أو الماء ضمن أنابيب تحيط بالمفاعل النووي، فتنتقل الطاقة الحرارية التي اكتسبها المعدن إلى الماء الذي يتحول إلى بخار عن طريق المبادلة الحرارية، يوجه البخار بعدئِذٍ إلى عنفات بخارية تقوم بتوليد الطاقة الكهربائية.

الشكل (5) نموذجان من مولدات البخار (المراجل)

الشكل (6) صورة لنموذج مرجل صناعي لتوليد البخار.

تلحق بالمراجل دارات خاصة تفيد في الحد من استهلاك الماء، تقوم هذه الدارات باستعادة البخار الخارج من العنفات البخارية، وتعيده إلى المرجل بعد تبريده عن طريق مبادلات حرارية مغذاة بمياه الأنهار أو البحيرات أو البحار، وبهذا تستهلك المنظومة الحرارية كمية غير كبيرة من الماء الجديد تكافئ كمية البخار الضائعة في أثناء الدورة الحرارية. وفي هذه الحالة يمكن الاستفادة من حرارة بخار عوادم العنفات في التدفئة وتسخين مياه الاستعمال في المنشأة وفي بعض الوحدات السكنية القريبة من تلك المحطات الحرارية.

طرائق التحكم المستخدمة في مراجل توليد البخار

تلحق عادةً بالمرجل تجهيزات تضبط الضغط داخله، وتعيد تحميص البخار المتولِّد لتخليصه من قطيرات الماء العالقة به؛ إضافة إلى تجهيزات لقياس مستوى الماء داخل المرجل والتحكم به.

أ- تجهيزات التحكم بمستوى الماء داخل المرجل: هناك عددٌ كبير من أشكال هذه التجهيزات تختلف باختلاف مبدأ عملها؛ إلا أنها جميعها تشترك بالقدرة على قياس مستوى الماء داخل المرجل وإصدار إشارة معيّنة إلى وحدة تحكم خاصة تتولى زيادة كمية الماء في المرجل بفتح صمامات التغذية بالماء لغاية الوصول إلى المستوى المطلوب. يبين الشكل (7) نماذجَ لجهاز يقيس مستوى الماء في المرجل.

الشكل (7) نماذج لجهاز قياس مستوى الماء في المرجل

ب-بتجهيزات التحكم بكمية البخار المتولِّدة: وهي تجهيزات قادرة على قياس سرعة تدفق البخار في الأنبوب عند مخرج المرجل؛ وبالتالي حساب كميته والتحكم بكمية الوقود التي تغذّي المرجل عن طريق دارة التغذية بالوقود.

ج- تجهيزات التحكم بضغط البخار المتولِّد: تقوم هذه التجهيزات بقياس ضغط البخار في المرجل والتحكم به عن طريق فتح وإغلاق صمامات خاصة في منظومة توليد البخار.

د- تجهيزات التحكم بدرجة حرارة البخار؛ أي بدرجة تحميصه: تقوم هذه التجهيزات بإعادة تدوير البخار المتولِّد أو جزءٍ منه إلى المرجل من أجل إكسابه المزيد من الحرارة بهدف الوصول إلى درجة تحميص معيّنة.

هـ- تجهيزات فصل قطيرات الماء: يمرر البخار عبر معدات خاصة تتولى فصل قطيرات الماء التي يمكن أن تبقى عالقة في البخار بعد مروره بمرحلة التحميص.

و-الصمامات اليدوية التي تستخدم في أعمال الصيانة والإصلاح.

ز-تجهيزات السلامة والأمان: تعمل هذه التجهيزات على المحافظة على أمان عمل المراجل في حال إخفاق دارات التحكم في عملها، فتتحطم صمامات الأمان الخاصة في حال وصول ضغط البخار داخل المرجل إلى قيم عالية وخطرة كما يبيِّن الشكل (8)، وتتولى منظومة أخرى قطع الوقود عن المرجل في حال ارتفاع درجة الحرارة في المكان إلى درجة تنذر بوقوع حريق.