【سؤال يومي】مبادئ الهندسة الكيميائية 414: الغلايات ذات التيار المستمر (25 أغسطس)
Thread Content
تم تعديل هذا المنشور آخر مرة بواسطة “عودة إلى كامبريدج” في تاريخ 6/9/2016 الساعة 16:57. يبدأ قسم نظريات الكيمياء اليوم في تنفيذ فعالية “سؤال يومي”، وذلك لمساعدة الجميع على تعزيز معرفتهم الأساسية في مجال الكيمياء. سيتم لاحقًا إطلاق سلسلة من المواضيع مثل “مبادئ الكيمياء”， و“عمليات نقل المواد والفصل”， و“الديناميكا الحرارية في الكيمياء”， و“عمليات الكيمياء الصناعية”. نأمل من الجميع دعم هذه الفعالية بنشاط~ نتمنى للجميع عيد ميلاد سعيد~~ يمكن معرفة الإجابات على أسئلة “سؤال يومي” مباشرة، وسيتم إغلاق هذا الموضوع بعد يوم واحد! ؟ لتشجيع الجميع على المشاركة المستمرة هذا العام! مع المشاركة تحصل على 3 مكافآت من الثروة، وإذا أجبت بشكل صحيح تحصل إضافيًا على 4 مكافآت من الثروة~~~ سؤال بسيط: اشرح بإيجاز خصائص نظام الماء والبخار في الغلايات ذات التيار المستمر. الجواب: يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد. وخلال مرور الماء مرة واحدة فقط، يتم تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات، كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.
1. الغلاية المباشرة هي غلاية تعتمد على ضغط مضخة المياه لتمرير المياه بالتتابع عبر جهاز توفير الوقود، وأسطح التسخين للتبخر (جدار التبريد بالماء)، وجهاز التسخين الزائد، حتى تتحول كلها إلى بخار مائي ساخن. 2. الغلاية المباشرة هي غلاية تعتمد على ضغط مضخة المياه لتمرير المياه بالتتابع عبر جهاز توفير الوقود، وأسطح التسخين (الجدران المبردة بالماء)، وجهاز التسخين الزائد، حتى تتحول جميعها إلى بخار مائي ساخن. نظرًا لأن تسخين الماء وتبخره وتسخين بخار الماء يحدث باستمرار داخل أسطح التسخين بعد دخول الماء إلى الغلاية، فلا حاجة إلى فصل البخار عن الماء أثناء عملية التسخين. لذلك، لا يحتوي على خزان البخار الموجود في الغلايات ذات الدورة الطبيعية. مرجل محطة الطاقة الذي لا يوجد فيه نقطة فصل ثابتة بين أسطح التسخين في جهاز توفير الفحم، وأسطح التسخين في جهاز التبخير، وأسطح التسخين في جهاز التسخين الزائد؛ حيث تتغير هذه النقاط مع تغير حمل المرجل. كما أنه لا يوجد دائرة بخارية، ويتم تسخين الماء الوارد بفضل ضغط مضخة المياه، ثم يتم تبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ويمر الماء عبر جميع أسطح التسخين لإنتاج بخار بالخصائص والسعة المطلوبة. معدل التدوير في منطقة التبخر هو 1. ٣. نظرًا لعدم وجود حدود واضحة بين أسطح التبخير وأسطح التسخين الزائد في الغلايات ذات التيار المستمر، فإنه قد تحدث مشاكل مثل عدم استقرار التدفق والتذبذب في أسطح التبخير، ولذلك يلزم تركيب صمامات تنظيم الضغط عند مدخل مجموعة الأنابيب، بالإضافة إلى تركيب صمامات تنفس بين الصناديق الداخلية والخارجية لتحسين الأداء. بالإضافة إلى ذلك، يحدث في سطح التبخر المعرض للحرارة ظاهرة الغليان الغشائي (أي أن الفقاعات التي تتكون على سطح التسخين لا تستطيع الانفصال في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى تكوّن غشاء بخاري)، وهو ما يعيق انتقال الحرارة، ويسبب ارتفاع درجة حرارة جدار الأنبوب، مما يؤثر على سلامة تشغيل الغلاية. لذلك، يمكن تركيب عناصر تعكير في جدار التبريد المائي في المناطق ذات الحمل الحراري العالي، أو استخدام أنابيب ذات خيوط داخلية، وذلك لتأخير ظهور الغليان الغشائي. يمكن أيضًا استخدام تقنيات مثل إعادة تدوير الغازات الناتجة عن الاحتراق، أو تعديل ترتيب أجهزة الاحتراق، من أجل تقليل أقصى حمل حراري داخل الفرن. في الغلايات ذات التيار المستمر، لا يوجد توازن ذاتي في تدفق المادة العاملة؛ أي أن الأنابيب التي تمتص كمية أكبر من الحرارة تزداد مقاومتها بسبب ارتفاع الحجم النوعي للمادة العاملة، مما يؤدي إلى انخفاض كمية التدفق عبرها، وبالتالي يحدث اختلاف في درجة الحرارة. لذلك، تستخدم الغلايات المباشرة من نوع UP عادةً مختلطات وسطية، حيث يتم سحب السائل الموجود داخل أنابيب الجدار البارد إلى خارج الغلاية وإدخاله في المختلط، بحيث يتم خلط الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة والضغط للسائل في كل أنبوب بشكل كامل قبل أن يعود إلى الجدار البارد، وذلك للقضاء على الفروق الحرارية بين الأنابيب المختلفة. يعتمد عدد مرات الخلط وموقعه وطريقته على سعة الغلاية وخصائصها. نظرًا للمتطلبات المتزايدة لظروف التشغيل على خصائص تعديل الحمل في الغلايات، أصبحت قدرة الغلايات المباشرة على التكيف مع تغيرات الحمل موضوعًا مهمًا. أما الغلايات المباشرة ذات حلقات الأنابيب الحلزونية، فهي الأقل حساسية للتفاوتات الحرارية داخل الغلاية؛ حيث لا توجد مشكلة في توزيع السوائل بين الأنابيب، كما لا حاجة إلى تركيب صمامات عند فتحات الأنابيب، ولذلك فإنها تتمتع بخصائص ممتازة أثناء التشغيل بأحمال منخفضة. لكن هناك متطلبات عالية لجودة المياه المستخدمة وللتحكم الأوتوماتيكي، كما أن مقاومة نظام البخار كبيرة، واستهلاك مضخات المياه للطاقة مرتفع.
يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد، ويتم خلال مرور الماء هذا تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية عبر الغلاية نفسها، كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات. كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.
اختصار لخصائص عمل نظام الماء والبخار في الغلايات ذات التدفق المباشر: يمر ماء الغلاية ذات التدفق المباشر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد، ويتم خلال مرور الماء مرة واحدة تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول كله إلى بخار مسخن ويخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات، كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.
الأهم من ذلك أن الفرن المستمر لا يحتوي على خزان بخار، حيث يتحول كل الماء إلى بخار، ولا يوجد دورة لماء الفرن. المتطلبات المتعلقة بجودة المياه أيضًا مرتفعة. وتفاصيل ذلك كالتالي: 1. متطلبات جودة المياه المستخدمة مرتفعة؛ فالغلايات التي تعمل بالتيار المستمر لا تحتوي على خزان بخار، ولذلك لا يمكنها التخلص من الشوائب أو معالجة مياه الغلاية كما هو الحال في الغلايات التي تحتوي على خزان بخار. وبالتالي، لا يوجد مكان لتصريف أملاح المياه، وسوف تترسب جميع الأملاح على أسطح التسخين في الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار الساخن إلى التوربين. لذلك، ومن أجل منع تراكم الملح على أسطح التسخين المختلفة نتيجة التشغيل المستمر للوحدة، مما يؤثر على كفاءة نقل الحرارة، وقد يؤدي ذلك في الحالات الخطيرة إلى انفجار أنابيب الفرن، من الضروري وضع متطلبات أعلى لجودة المياه المستخدمة. متطلبات التحكم الذاتي المتغير مرتفعة؛ فالغلايات ذات التيار المستمر لا تحتوي على خزان بخار، وبالتالي لا يمكنها استخدام الخزان لتخزين الماء أو البخار أو الحرارة. ولذلك، عند حدوث تغيرات في الأحمال الخارجية، يحدث تقلب كبير في ضغط البخار. علاوة على ذلك، لا توجد حدود ثابتة بين أسطح التسخين المختلفة في عمليات تسخين الماء وتبخره وتسخينه الزائد، وعند حدوث اضطرابات في الماء أو الوقود، فإن ذلك سيؤدي إلى تقلبات في درجة حرارة البخار. لذلك، من أجل أن تتمتع الغلايات ذات التيار المستمر بخصائص تحكم ساكنة وديناميكية جيدة، يجب أن تستخدم هذه الغلايات أنظمة تحكم آلية متميزة. 1.3 مقاومة نظام المشروبات الغازية كبيرة، مما يؤدي إلى استهلاك طاقة كبيرة من قبل مضخات التغذية. تعتمد الغلايات ذات التدفق المستمر على ضغط مضخات التغذية للتغلب على مقاومة تدفق المادة داخل أسطح التسخين، وبالتالي تحفيز تدفق المادة بشكل مستقر داخل جدران التبريد بالماء. ولضمان سلامة عمل جدران التبريد بالماء، يجب أن يكون معدل تدفق المادة داخلها كبيرًا، وهو ما يؤدي إلى ارتفاع مقاومة الماء، وبالتالي استهلاك طاقة كبيرة من قبل مضخات التغذية. 1.4 سرعة البدء والتوقف عالية: لا تحتوي الغلايات الجهدية المستمر على خزان بخار، ولذلك فإنها لا تتأثر بسرعة البدء والتوقف بالقيود الناتجة عن الجدران السميكة، مما يؤدي إلى التشوه أو الضغوط الحرارية العالية كما هو الحال في الغلايات التي تحتوي على خزان بخار. لذلك، يمكن تشغيله وإيقافه بسرعة. يتأثر وقت التشغيل والإيقاف لديه فقط بتمدد الأسطوانة والاهتزازات. الوسيلة الرئيسية للتحكم في درجة حرارة البخار الزائد في الغلايات ذات التيار المستمر، هي الحفاظ على نسبة كمية الماء المستخدم إلى كمية الوقود ثابتة، أي الحفاظ على نسبة الفحم إلى الماء ثابتة. لأن الفرن المستمر لا يحتوي على خزان بخار، فإن عمليات تسخين الماء وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية تحدث في أجزاء مختلفة مثل جهاز توفير الوقود وجدران التبريد بالماء وأجهزة التسخين الإضافي، ولا يوجد حدود ثابتة بين هذه الأجزاء، بل تتغير هذه الحدود مع تغير ظروف التشغيل. عندما تظل الحمولة الحرارية للغلاية والشروط الأخرى ثابتة، فإن خفض كمية الماء المُستخدم سيؤدي إلى تقدم نقطة التبخر ونقطة الإفراط في التسخين داخل أسطح التسخين، وبالتالي سيرتفع درجة حرارة البخار عند مخرج جهاز التسخين الزائد ； على العكس، فإن زيادة كمية الماء سيؤدي إلى انخفاض درجة حرارة البخار الزائد الحرارة. يعتبر تبريد الماء المتعدد المراحل مجرد تعديل دقيق لدرجة حرارة البخار على أساس ذلك. 1.6 الغليان الغشائي في أسطح التبخير في الغلايات المستمرة: في أسطح التبخير داخل الغلايات المستمرة، يزداد معدل البخار في المادة من 0 إلى 1. وعندما يصل معدل البخار في خليط الماء والبخار داخل الأنابيب إلى قيمة معينة، فإن الغشاء المائي الموجود على الجدار الداخلي للأنابيب يتم تمزيقه بواسطة تيار البخار، أو يتبخر هذا الغشاء المائي. وعندما يحل غشاء البخار محل الغشاء المائي على الجدار الداخلي للأنابيب، فإن معامل إطلاق الحرارة للبخار أقل بكثير من معامل إطلاق الحرارة للماء، وبالتالي يرتفع درجة حرارة جدار الأنبوب بشكل كبير بسبب سوء نقل الحرارة. وفي الحالات الشديدة، قد يتلف الأنبوب نفسه. يُطلق على هذا النوع من الغليان في أسطح التبخير داخل الغلايات المستمرة اسم “الغليان الغشائي”. من الواضح أنه، من أجل ضمان التشغيل الآمن لأسطح التبخر في الغلايات، يجب اتخاذ تدابير لتجنب حدوث هذه الظاهرة. 1.7 نظام التخطي المستقل للتشغيل: نظراً لعدم وجود حدود ثابتة بين أسطح التسخين المختلفة في الغلاية الجهدية المستمر، فإن الماء الساخن يتكون في مرحلة التشغيل الأولى، ومع زيادة كمية الاحتراق في الغلاية، يبدأ تدريجياً تكوّن البخار الرطب والبخار المشبع والبخار المسخن. من أجل توفير مسار لخليط الماء الساخن والبخار الناتج في المراحل الأولى من التشغيل، بالإضافة إلى البخار المشبع والبخار المسخن بدرجة أقل ； استرداد المادة العاملة والحرارة أثناء عملية البدء ； يجب تلبية متطلبات الضغط المتعلقة بالبخار الرئيسي أثناء تشغيل المحرك، حيث يجب أن يكون لدى البخار درجة حرارة زائدة معينة (عادةً أكثر من 50 درجة مئوية)، وذلك لتقليل وقت التشغيل قدر الإمكان. كما يجب أن يكون لدى الغلايات المباشرة نظام تخطي لعملية التشغيل.
يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد، ويتم خلال مرور الماء هذا تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات، كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.
تُستخدم الغلايات ذات التيار المستمر في معظم الحالات تحت ضغوط تزيد عن 19.2 ميجا باسكال، وفي مثل هذه الضغوط العالية، يكون الفرق في كثافة البخار والماء شبه منعدم، وبالتالي يكون قوة الدفع الناتجة عن هذا الفرق صفرًا أيضًا. لذلك، من الضروري استخدام مضخات دورانية في الأنابيب النازلة لضخ المادة المستخدمة مباشرة إلى جهاز التسخين الزائد، حيث يتم إتمام عمليات التسخين المسبق والتبخر والتسخين الزائد في خطوة واحدة. ولهذا السبب، تُسمى هذه الغلايات أيضًا بالغلايات ذات الدوران القسري
يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد، ويتم خلال مرور الماء هذا تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات، كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.
يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد، ويتم خلال مرور الماء هذا تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات، كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.
الجواب: يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد. وخلال مرور الماء مرة واحدة فقط، يتم تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المباشر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر لإتمام عملية التبخير. ولا يمكنه التخلص من الشوائب الموجودة في الماء مثلما يفعل الفرن ذو الخزان البخاري، كما أنه لا يمكنه أيضًا التخلص من الرواسب داخل الماء. هناك متطلبات عالية لنقاء المياه المستخدمة.
يمر ماء التغذية في الغلاية ذات التيار المستمر، بفضل ضغط مضخة التغذية، عبر أجزاء الغلاية مثل جهاز توفير الوقود وجدار التبريد بالماء وجهاز التسخين الزائد، ويتم خلال مرور الماء هذا تسخينه وتبخيره وتسخينه إلى درجة عالية، ليتحول في النهاية إلى بخار مسخن يخرج من الغلاية. لا يحتوي الفرن المستمر على خزان بخار، كما أن الماء لا يحتاج إلى التدوير المتكرر عدة مرات لإتمام عملية التبخر. لا يمكن التخلص من الشوائب الموجودة في ماء الغلاية كما هو الحال في الغلايات ذات الأسطوانات، كما لا يمكن معالجة ماء الغلاية داخلها لمنع تكون الرواسب والتخلص منها. إذا دخلت شوائب إلى الغلاية المباشرة، فإن هذه الشوائب قد تترسب داخل أنابيب الغلاية، أو قد تنتقل مع البخار إلى التوربين مما يؤدي إلى التآكل أو تكون رواسب، وهو ما يؤثر بشكل مباشر على سلامة وكفاءة تشغيل الوحدة. لذلك، فإن متطلبات نقاء المياه المستخدمة في أفران التيار المستمر مرتفعة للغاية.