بخار ماء (مكثف)

Steam condeuser -

مكثِّف البخار Condenser

زهير مسالخي- يمن الأتاسي

مبدأ تكثيف البخار واستخلاص الحرارة

أنواع المكثفات واستعمالاتها

تطبيقات استخدام مكثفات بخار الماء في توليد الطاقة

مادة المكثفات في وحدات توليد الطاقة

مكثِّف بخار الماء جهاز يستعمل لتكثيف مادة ما وتحويلها من حالتها الغازية إلى حالتها السائلة عن طريق تبريدها. وتتحرر في أثناء ذلك الطاقة الحرارية الكامنة latent heat في هذه المادة، وتنتقل إلى المكثِّف الذي يُسمى أيضاً “المبرِّد” coolant، ويسمى المكثف مكثفاً بخارياً steam condenser عندما يكون الماء هو المادة التي تخضع للتكثيف من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة.

1- مبدأ تكثيف البخار واستخلاص الحرارة

تُعدّ المكثّفات مبادلات حرارية heat exchangers نموذجية تصاميمها متعددة ومقاساتها مختلفة؛ ابتداء من المكثفات الصغيرة (المحمولة باليد) وانتهاء بالوحدات الكبيرة جدّاً على المستوى الصناعي. وتُستعمل المكثِّفات- على سبيل المثال- في البرادات للتخلّص من الحرارة داخل البراد ونشرها في الهواء المحيط، كذلك تُستعمل المكثفات في منظومات التكييف الهوائي- في العمليات الكيميائية الصناعية مثل التقطير- ومحطات توليد الطاقة الكهربائية وغيرها من منظومات التبادل الحراري. ومن الشائع استعمال الماء أو الهواء المحيط مادة تبريد في الكثير من هذه المكثفات.

2- أنواع المكثفات واستعمالاتها

المكثّفات السطحية surface condenser هي مبادلات حرارية ذوات أنابيب وقواقع حرارية shell and tube heat exchangers؛ تركب عند مخرج العنفات البخارية في المحطات الحرارية لتوليد الطاقة (الشكل 1). يجري الماء في الأنابيب عادة، في حين يدخل البخار الأغلفة فيتكاثف على الجدران الخارجية لأنابيب التبادل الحراري. وتسيل الكُثافة condensate قطراتٍ إلى الأسفل، وتتجمع في وعاء مدمج مع المكثف عند القعر يسمى المجمِّع hot well. ويمكن أحياناً أن يساق البخار ضمن الأنابيب، في حين يجري الماء المبرِّد أو الهواء حول أسطحها الخارجية.

الشكل (1) مخطط تمثيلي لمكثّف سطحي وهو مبادل حراري ذو أنابيب وقوقعة.

- يعد المكثّف في مخابر الكيمياء جهازاً يبرِّد الأبخرة الحارة، ويكثفها إلى سوائل. والأمثلة على ذلك: مكثف ليبيغ Liebig condenser، ومكثّف غراهام Graham condenser ، ومكثّف ألّين Allihn condenser.

تعد هذه المكثفات من التجهيزات المخبرية الخاصة بالتقطير distillation والتقطير المرتد reflux. يتألف مكثف ليبيغ من أنبوب مستقيم ضمن غلاف jacket يمر فيه الماء البارد، (الشكل 2)، ويُعدُّ أبسط أشكال المكثفات وأكثرها رخصاً. أما مكثف غراهام فهو أنبوب حلزوني ضمن غلاف مائي (الشكل 3). وأما مكثف ألّين ففيه سلسلة من التخصرات الصغيرة والكبيرة ضمن الأنبوب الداخلي، وهذه التخصرات من شأنها زيادة مساحة سطح تكاثف البخار، وهذا النوع من المكثفات معقد وأكثر تكلفة (الشكل 4). وتعد هذه الأنواع الثلاثة من المكثفات البخارية المخبرية ومن الزجاجيات المخبرية؛ لأنها تصنع عادة من الزجاج.

الشكل (2) مكثف ليبيغ منفصلاً (اليمين)، وآخر ضمن وحدة تقطير كيميائية (اليسار).

الشكل (3) مكثّف غراهام.

الشكل (4) مكثّف ألّين.

- تستعمل في عمليات التقطير مكثفات كبيرة على المستوى الصناعي لتبريد الأبخرة المقطرة وتحويلها إلى قُطارة سائلة. تجري مادة التبريد عادة في الأنابيب، في حين يجري البخار ضمن الأغلفة وتُجمَّع القُطارة في الأسفل.

-تُستعمل وحدات تكثيف في منظومات تكييف الهواء المركزية، وهي مكونة عادة من (آ) قسم التبادل الحراري لتبريد أبخرة مادة التبريد refrigerant وتكثيفها وتحويلها إلى سائل، ومن (ب) ضاغط compressor لرفع ضغط مادة التبريد، ومن (ج) مروحة لدفع الهواء من الخارج إلى المبادل الحراري لتبريد مادة التبريد في الداخل.

- مكثفات التماس المباشر، وفيها تنصبّ الأبخرة مباشرة فوق السائل فيفقد عندها البخار طاقته الحرارية الكامنة ومن ثمّ يتحول إلى سائل حار، وفي هذا النوع من المكثفات يكون البخار والسائل من مادة واحدة. وفي نوع آخر من مكثفات التماس المباشر يرذ الماء البارد رذاً على البخار لتكثيفه.

3- تطبيقات استخدام مكثفات بخار الماء في توليد الطاقة

إن المحرك الأساسي لتوليد الطاقة في محطة الطاقة الحرارية هو بخار الماء، ففيها يسخّن الماء ليُحوَّل إلى بخار يدير عنفة بخارية، فتولّد تياراً كهربائياً. يساق البخار بعد العنفة إلى مكثّف ليعاد تكثيفه وتدويره من جديد، وتُعرف هذه باسم دارة رانكين Rankine cycle.

يشيع استعمال مصطلح المكثّفات السطحية عند الحديث عن المبادلات الحرارية الأنبوبية المغلقة والمبردة بالماء في المحطات الحرارية الخاصة بتوليد الطاقة thermal power stations. وهي مبادلات حرارية تحوِّل بخار الماء من حالته الغازية إلى حالته السائلة عند ضغط أخفض من الضغط الجوي.

والهدف من التكثيف في المحطات الحرارية تكثيف البخار لتحقيق المردود الأعظمي منه، ولتحويل بخار الخرج إلى ماء نقي (يُشار إليه عادة بالبخار المتكثِّف (steam condensate يمكن إعادة استعماله للتغذية في مولدات البخار أو المراجل boiler.

كما أنّ العنفة البخارية في حدّ ذاتها هي جهاز يحول حرارة بخار الماء إلى طاقة ميكانيكية. ويمثِّل الفرقُ بين حرارة البخار في واحدة الكتلة عند مدخل inlet العنفة وحرارته في واحدة الكتلة عند مخرج outlet العنفة كميةَ الحرارة التي تحولت إلى طاقة ميكانيكية، فكلما جرى تحويل المزيد من الحرارة الكامنة في البخار إلى طاقة ميكانيكية من خلال العنفة تحسّنت كفاءة العنفة. عندما يتكاثف البخار الخارج من العنفة عند ضغط أخفض من الضغط الجوي؛ يزداد انخفاض ضغط بخار الماء بين مدخل العنفة ومخرجها، وهذا يؤدي إلى زيادة في كمية الحرارة المتوفرة للتحوّل إلى طاقة ميكانيكية. أما معظم الحرارة المتحررة نتيجة تكاثف بخار الماء فيحملها الوسط المبرِّد المستعمل في المكثِّف السطحي ويشتتها.

4- مادة المكثفات في وحدات توليد الطاقة

تُصنع أنابيب المكثف عادة من الصُّفر أو من الفولاذ غير القابل للصدأ وذلك لمقاومة اهتراء الأنابيب، ومع ذلك فقد تنسد الأنابيب نتيجة التكلّس أو نمو الجراثيم أو الطحالب من جهة ماء التبريد، وهذا من شأنه أن يعوق انتقال الحرارة، ويخفِّف من الفعالية الترموديناميكية. لذلك تزود معظم المنشآت بنظام تنظيف ذاتي يتألف من كرات لدنة إسفنجية تنتقل خلال الأنابيب لتنظفها من دون الحاجة إلى إيقاف المنظومة والصيانة.

---

- المجلد : المجلد الرابع مشاركة :