مكثف سطحي

الموسوعة الحرة
مكثف سطحي مع لوحة طرفية ممتدة لكشف صفوف الأنابيب

المكثف السطحي هو مبادل حراري أنبوبي ذو غلاف مبرد بالماء ، يُستخدم لتكثيف بخار العادم من التوربينات البخارية في محطات الطاقة الحرارية . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] تعمل هذه المكثفات كمبادلات حرارية تحول البخار من حالته الغازية إلى حالته السائلة عند ضغط أقل من الضغط الجوي . في حال نقص مياه التبريد، يُستخدم غالبًا مكثف مبرد بالهواء. مع ذلك، يُعد المكثف المبرد بالهواء أغلى ثمنًا بكثير، ولا يمكنه الوصول إلى ضغط (ودرجة حرارة) منخفضة لعادم التوربينات البخارية كما يفعل المكثف السطحي المبرد بالماء.

تُستخدم المكثفات السطحية أيضًا في تطبيقات وصناعات أخرى غير تكثيف عادم التوربينات البخارية في محطات الطاقة.

غاية

في محطات الطاقة الحرارية، يتمثل الغرض من المكثف السطحي في تكثيف بخار العادم من التوربين البخاري للحصول على أقصى قدر من الكفاءة ، وكذلك تحويل بخار عادم التوربين إلى ماء نقي (يشار إليه باسم مكثف البخار) بحيث يمكن إعادة استخدامه في مولد البخار أو الغلاية كمياه تغذية للغلاية.

التوربين البخاري هو جهاز لتحويل حرارة البخار إلى طاقة ميكانيكية . يمثل الفرق بين حرارة البخار لكل وحدة كتلة عند مدخل التوربين وحرارة البخار لكل وحدة كتلة عند مخرجه كمية الحرارة التي يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية. لذا، كلما زادت كفاءة التوربين في تحويل الحرارة لكل رطل أو كيلوغرام من البخار إلى طاقة ميكانيكية، تحسنت كفاءته. بتكثيف بخار العادم من التوربين عند ضغط أقل من الضغط الجوي، يزداد انخفاض ضغط البخار بين مدخل ومخرج التوربين، مما يزيد من كمية الحرارة المتاحة للتحويل إلى طاقة ميكانيكية. يتم امتصاص معظم الحرارة المنبعثة نتيجة تكثيف بخار العادم بواسطة وسيط التبريد (الماء أو الهواء) المستخدم في المكثف السطحي.

رسم تخطيطي لمكثف سطحي مبرد بالماء

رسم تخطيطي لمكثف سطحي نموذجي مبرد بالماء

يوضح الرسم التخطيطي المجاور مكثفًا سطحيًا نموذجيًا مبردًا بالماء، يُستخدم في محطات توليد الطاقة لتكثيف بخار العادم الناتج عن توربين بخاري يُشغل مولدًا كهربائيًا، بالإضافة إلى تطبيقات أخرى. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] توجد العديد من الاختلافات في تصميم التصنيع تبعًا للشركة المصنعة، وحجم التوربين البخاري، وظروف الموقع الأخرى.

صدَفَة

الغلاف هو الهيكل الخارجي للمكثف ويحتوي على أنابيب المبادل الحراري. يُصنع الغلاف من صفائح فولاذية كربونية ويُدعّم حسب الحاجة لتوفير الصلابة اللازمة. عند الحاجة وفقًا للتصميم المُختار، تُركّب صفائح وسيطة لتكون بمثابة حواجز تُوفّر مسار التدفق المطلوب للبخار المُكثّف. كما تُوفّر هذه الصفائح دعمًا يُساعد على منع ترهل الأنابيب الطويلة.

يُركّب مخرج في أسفل الغلاف، حيث يتجمع المكثف. وفي بعض التصاميم، يُزوّد ​​بحوض تجميع (يُشار إليه غالبًا باسم حوض التسخين ). يُضخ المكثف من المخرج أو حوض التسخين لإعادة استخدامه كمياه تغذية للغلاية .

بالنسبة لمعظم المكثفات السطحية المبردة بالماء، يكون الغلاف تحت فراغ جزئي أثناء ظروف التشغيل العادية.

أنظمة التفريغ

رسم تخطيطي لحاقن أو قاذف حديث نموذجي. بالنسبة لقاذف البخار ، يكون سائل التشغيل هو البخار.

في المكثفات السطحية المبردة بالماء، يُوفر نظام طرد البخار الخارجي عادةً الفراغ الداخلي للغلاف ويُحافظ عليه . يستخدم هذا النظام البخار كسائل دافع لإزالة أي غازات غير قابلة للتكثيف قد تكون موجودة في المكثف السطحي. وتُطبق ظاهرة فنتوري ، وهي حالة خاصة من مبدأ برنولي ، على تشغيل قاذفات البخار.

تُعد مضخات التفريغ الميكانيكية التي تعمل بمحرك ، مثل نوع الحلقة السائلة ، شائعة أيضًا لهذه الخدمة.

أنابيب

At each end of the shell, a sheet of sufficient thickness usually made of stainless steel is provided, with holes for the tubes to be inserted and rolled. The inlet end of each tube is also bellmouthed for streamlined entry of water. This is to avoid eddies at the inlet of each tube giving rise to erosion, and to reduce flow friction. Some makers also recommend plastic inserts at the entry of tubes to avoid eddies eroding the inlet end. In smaller units some manufacturers use ferrules to seal the tube ends instead of rolling. To take care of length wise expansion of tubes some designs have expansion joint between the shell and the tube sheet allowing the latter to move longitudinally. In smaller units some sag is given to the tubes to take care of tube expansion with both end water boxes fixed rigidly to the shell.

Tubes

Generally the tubes are made of stainless steel, copper alloys such as brass or bronze, cupro nickel, or titanium depending on several selection criteria. The use of copper bearing alloys such as brass or cupro nickel is rare in new plants, due to environmental concerns of toxic copper alloys. Also depending on the steam cycle water treatment for the boiler, it may be desirable to avoid tube materials containing copper. Titanium condenser tubes are usually the best technical choice, however the use of titanium condenser tubes has been virtually eliminated by the sharp increases in the costs for this material. The tube lengths range to about 85 ft (26 m) for modern power plants, depending on the size of the condenser. The size chosen is based on transportability from the manufacturers’ site and ease of erection at the installation site. The outer diameter of condenser tubes typically ranges from 3/4 inch to 1-1/4 inch, based on condenser cooling water friction considerations and overall condenser size.

Waterboxes

The tube sheet at each end with tube ends rolled, for each end of the condenser is closed by a fabricated box cover known as a waterbox, with flanged connection to the tube sheet or condenser shell. The waterbox is usually provided with man holes on hinged covers to allow inspection and cleaning.

These waterboxes on inlet side will also have flanged connections for cooling water inlet butterfly valves, small vent pipe with hand valve for air venting at higher level, and hand-operated drain valve at bottom to drain the waterbox for maintenance. Similarly on the outlet waterbox the cooling water connection will have large flanges, butterfly valves, vent connection also at higher level and drain connections at lower level. Similarly thermometer pockets are located at inlet and outlet pipes for local measurements of cooling water temperature.

في الوحدات الأصغر حجماً، يقوم بعض المصنعين بصنع غلاف المكثف بالإضافة إلى صناديق المياه من الحديد الزهر .

تآكل

على جانب ماء التبريد للمكثف:

قد تُصنع الأنابيب وصفائحها وصناديق المياه من مواد ذات تركيبات مختلفة، وهي دائمًا على اتصال بالماء المتداول. يعمل هذا الماء، تبعًا لتركيبه الكيميائي، كإلكتروليت بين التركيب المعدني للأنابيب وصناديق المياه. يؤدي ذلك إلى تآكل إلكتروليتي يبدأ من المواد الأكثر أنودية أولًا.

تتميز المكثفات التي تعمل بمياه البحر ، وخاصةً تلك التي تحتوي على ملوثات كيميائية ، بأسوأ خصائص التآكل. كما أن مياه الأنهار الملوثة غير مناسبة لتبريد المكثفات.

يجب تحمل التأثير التآكلي لمياه البحر أو النهر، واعتماد أساليب معالجة مناسبة. إحدى هذه الأساليب هي استخدام هيبوكلوريت الصوديوم ، أو الكلور ، لضمان عدم وجود نمو بحري على الأنابيب. يجب تنظيم هذه الممارسة بدقة لضمان عدم تأثر المياه المتداولة العائدة إلى مصدرها في البحر أو النهر.

على جانب البخار (الغلاف) من المكثف:

يكون تركيز الغازات غير المذابة مرتفعًا فوق أنابيب منطقة الهواء، مما يجعلها أكثر عرضة للتآكل. وفي بعض الأحيان، قد تتأثر هذه الأنابيب بتشققات التآكل الإجهادي إذا لم يتم تخفيف الإجهاد الأصلي بالكامل أثناء التصنيع. وللتغلب على هذه الآثار، يوفر بعض المصنّعين أنابيب ذات مقاومة أعلى للتآكل في هذه المنطقة.

آثار التآكل

مع تآكل أطراف الأنابيب، يزداد احتمال تسرب مياه التبريد إلى جانب البخار، مما يؤدي إلى تلوث البخار المكثف أو المكثفات، وهو ما يضر بمولدات البخار . وقد تتأثر الأجزاء الأخرى من صناديق المياه على المدى الطويل، مما يستدعي إصلاحات أو استبدالات تتطلب فترات توقف طويلة.

الحماية من التآكل

تُستخدم الحماية الكاثودية عادةً للتغلب على هذه المشكلة. تُركّب صفائح الزنك ( الأنودات التضحية ، كونها الأرخص) في أماكن مناسبة داخل صناديق المياه. تتآكل هذه الصفائح أولاً لكونها في أدنى فئة من الأنودات، لذا تتطلب فحصًا دوريًا واستبدالًا. وهذا يقلل من وقت التوقف عن العمل نسبيًا. كما تُحمى صناديق المياه المصنوعة من صفائح فولاذية من الداخل بطلاء إيبوكسي.

تأثيرات التلوث الجانبي للأنابيب

كما هو متوقع، مع تدفق ملايين الغالونات من المياه المتداولة عبر أنابيب المكثف من مياه البحر أو المياه العذبة، فإن أي شيء موجود في الماء المتدفق عبر الأنابيب يمكن أن ينتهي به المطاف إما على صفيحة أنابيب المكثف (كما ذُكر سابقًا) أو داخل الأنابيب نفسها. ينقسم التلوث الجانبي للأنابيب في المكثفات السطحية إلى خمس فئات رئيسية: التلوث الجزيئي مثل الطمي والرواسب، والتلوث البيولوجي مثل الطحالب والأغشية الحيوية ، والترسبات والتبلور مثل كربونات الكالسيوم، والتلوث الكلي الذي قد يشمل أي شيء من بلح البحر المخطط الذي يمكن أن ينمو على صفيحة الأنابيب، إلى الخشب أو غيره من الحطام الذي يسد الأنابيب، وأخيرًا، نواتج التآكل (كما ذُكر سابقًا).

بحسب مدى تراكم الرواسب، قد يكون التأثير بالغًا على قدرة المكثف على تكثيف بخار العادم الخارج من التوربين. فمع تراكم الرواسب داخل الأنابيب، يتشكل عازل حراري، ما يقلل من خصائص نقل الحرارة فيها، الأمر الذي يستدعي غالبًا خفض سرعة التوربين إلى الحد الذي يسمح للمكثف بمعالجة بخار العادم الناتج. وعادةً ما يكون لهذا الأمر تكلفة باهظة على محطات توليد الطاقة، تتمثل في انخفاض الإنتاج، وزيادة استهلاك الوقود، وارتفاع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون . ويُعدّ هذا "التخفيض في قدرة" التوربين لاستيعاب أنابيب المكثف المتسخة أو المسدودة مؤشرًا على ضرورة تنظيف الأنابيب في المحطة لاستعادة قدرة التوربين الاسمية . وتتوفر طرق متنوعة للتنظيف، تشمل خيارات التنظيف أثناء التشغيل وخارجه، وذلك بحسب ظروف موقع المحطة.

تطبيقات أخرى للمكثفات السطحية

الاختبار

تُستخدم معايير الاختبار الوطنية والدولية لتوحيد الإجراءات والتعريفات المستخدمة في اختبار المكثفات الكبيرة. في الولايات المتحدة، تنشر الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) العديد من معايير اختبار الأداء للمكثفات والمبادلات الحرارية، ومنها معيار ASME PTC 12.2-2010 الخاص بمكثفات البخار السطحية، ومعيار PTC 30.1-2007 الخاص بمكثفات البخار المبردة بالهواء.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ روبرت ثورستون كينت (رئيس التحرير) (1936). دليل كينت للمهندسين الميكانيكيين (الطبعة الحادية عشرة (مجلدان)  ). جون وايلي وأولاده (سلسلة أدلة وايلي الهندسية).{{cite book}}له |author=اسم عام ( مساعدة )
  2. 1 2 شركة بابكوك وويلكوكس (2005). البخار: توليده واستخدامه ( الطبعة 41). ISBN  0-9634570-0-4.
  3. 1 2 توماس سي. إليوت، وكاو تشين، وروبرت سوانكامب (مؤلفون مشاركون) (1997). الدليل القياسي لهندسة محطات توليد الطاقة ( الطبعة الثانية). ماكجرو هيل بروفيشنال. ISBN  0-07-019435-1.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  4. ↑ دورة توجيهية حول مكافحة تلوث الهواء من موقع معهد تدريب مكافحة تلوث الهواء
  5. ↑ توفير الطاقة في أنظمة البخار مؤرشف بتاريخ 27-09-2007 في Wayback Machine الشكل 3أ، تخطيط المكثف السطحي (انتقل إلى الصفحة 11 من 34 صفحة من ملف PDF)