Mohamad
03-25-2011, 04:31 AM
مبانی گرما و انرژی در مولدهای بخار
مقدمه امروزه، بیش از هر دوران در گذشته گرما ( انرژی ) کلید تمدن جدید است و منابع شناخته شده انرژی روز به روز تحلیل می روند بنابراین بدیهی است مهندسی که با تجهیزات استخراج گرما و تبدیل آن به انرژی سرو کار دارد باید درباره گرما اطلاعات کافی داشته باشد.
گرما
شکلی از انرژی که از جنبش مولکولی ناشی می شود. فرض می شود مولکولهای هر ماده بطور پیوسته در جنبش اند و شدد گرما ( یا دما ) به سرعت لرزش مولکولی بستگی مستقیم دارد در صورتیکه آهنگ لرزش جسمی افزایش یابد دمای افزایش و در صورتیکه آهنگ لرزش کاهش یابد دما نیز کاهش می یابد.
برای درک کامل این موضوع در نظر داشته باشید که فقط در صفر مطلق 459.8 – درجه فارنهایت هیچ گونه جنبش مولکولی و بنابراین هیچ گرمایی وجود ندارد و این بدین معنی است که مولکولهای هر جسم بالای صفر مطلق حرکت ثابتی دارند .
گرم کردن اجسام :
گرم کردن جسم سبب
1- بالا رفتن دما،
2- تغییر حالت ، به طور مثال از جامد به مایع یا مایع به گاز
3- انجام کار بیرونی به وسیله انبساط جسم جامد، مایع یا گاز می شود.
اگر به یخ گرما داده شود تا به آب تبدیل شود و بنابراین بدون افزایش دما تغییر حالت دهد تمام این آثار دیده می شود حال چنانچه گرما دادن ادامه یابد تا آب به نقطه جوش برسد دمای آن افزایش می یابد بدون آنکه تغییر حالت دهد سرانجام اگر باز هم گرما داده شود آب بخار می شود که تغییر حالتی دیگر است اما دمای آن افزایش نمی یابد .
با تولید بخار فشاری نیز به دیواره مخزن که بخار در آن محفوظ است اعمال می شود اگر این مخزن سیلندری حاوی پیستون متحرک باشد بخار می تواند پیستون را حرکت داده کار خارجی انجام دهد.
انتقال گرما :
بهتر است که گرما را مانند سیالی در نظر بگیریم که از جسمی به جسم دیگر جریان پیدا می کند ولی به بیان دقیق هیچ ماده فیزیکی منتقل نمی شود مولکولهای ماده گرمتر نسبت به ماده سردتر با آهنگ بالاتری حرکت می کنند بنابراین زمانی که دو جسم با دمای مختلف با هم تماس پیدا کند جنبش مولکولی در جسم سردتر افزایش و در جسم گرمتر کاهش می یابد تا تعادل برقرار شود گرما معمولا از جسم گرمتر به جسم سردتر انتقال می یابد مگر اینکه به کمک عاملی بیرونی ( مثلا در سرد کننده ها ) جهت انتقال گرما به طور مصنوعی برعکس انجام شود.
دما :
معیاری از شدت گرما یا درجه گرمی یا سردی با مقدار گرما یا سرما تفاوت دارد ممکن است جسمی کوچک و جسمی بزرگ دقیقا دمای یکسان داشته باشد ولی بدیهی است که جسم بزرگ مقدار گرمای بسیار بیشتری از جسم کوچک دارد.
ب- اندازه گيری دما
اهمیت اندازه گیری دما :
به دلیل کنترل کیفیت ، زیرا دمای بخار ( درجه ******** هیت ) عملیات گرمایی فلزات ، استریل کردن ، پاستوریزه کردن شیر، پالایش نفت ، و کار ایمن ماشین آلات در هر صنعتی که شامل فرایندهای گرمایش و سرمایش باشد به طور گسترده ای به اندازه گیری دما بستگی دارد.
یکاهای دما :
در مقیاس دمای فارنهایت اختلاف دما بین نقطه انجماد و تبخیر آب به 180 قسمت یا درجه تقسیم می شود رقم 32 درجه فارنهایت را نقطه انجماد و 212 درجه فارنهایت را نقطه تبخیر در نظر می گیرند .
در مقیاس دمای سانتیگراد اختلاف دما بین یخ و بخار آب به 100 قسمت یا درجه تقسیم می شود صفر درجه سانتیگراد نقطه انجماد نسبی و 100 درجه سانتیگراد نقطه تبخیر آب است .
مقیاس دمای کلوین مقیاس دمای مطلق است پائین ترین دمای نظری یا صفر مطلق صفر درجه کلوین وضعیتی است که در آن دما مولکولها از جنبش باز می ایستند و هیچ گرمایی وجود ندارد.
در مقیاس فارنهایت این نقطه 459.8 درجه کلوین زیر صفر و در مقیاس سانتیگراد 273 درجه سانیگراد زیر صفر نقطه انجماد آب 273 درجه کلوین یا صفر درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 373 درجه کلوین یا 100 درجه سانتیگراد است.
منظور از دمای مطلق :
حجم گاز کامل تحت فشار ثابت به ازای هر درجه سانتیگراد کاهش دما ، به اندازه 273/1 حجم آن در صفر درجه سانتیگراد کاهش می یابد از مطلب معلوم میشود که در 273 درجه سانتیگراد زیر صفر در مقیاس سانتیگراد حجم گاز به صفر می رسد و جنبش مولکولی که سبب ایجاد گرما می شود کاملا متوقف می شود این دمای بسیار پائین صفر مطلق نامیده می شود و پائین ترین دمایی است که می توان به آن دست یافت.
محاسبات دمای مطلق از صفر درجه مطلق صورت می گیرد برای تبدیل درجه فارنهایت به درجه مطلق عدد 460 و در تبدیل درجه سانتیگراد به درجه مطلق عدد 273 اضافه می شود.
یکاهای اندازه گیری دما :
دما بر حسب درجه اندازه گیری می شود دماسنجها گستره دماهای معمولی تا 1000 درجه فارنهایت را اندازه گیری می کنند برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا و بیرون از گستره کار دماسنجها از آذرسنج ( پیرومتر ) استفاده می شود.
ساختمان دماسنج:
دماسنج لوله ای است شیشه ای که سوراخ بسیار باریکی در وسط دارد یک سر آن به شکل حباب است و سر دیگر بسته شده حباب و قسمتی از لوله با مایع که معمولا جیوه یا الکل در آن است پر می شود هوای باقی مانده لوله را تخلیه می کنند بجز در دماسنجهای مورد استفاد ه در دماهای بسیار بالا که فضای باقی مانده با گاز مخصوصی پر می کنند گستره های تقریبی کار دماسنجهای شیشه ای متداول عبارت اند از:
جیوه ای از (750 تا 38- ) درجه فارنهایت
جیوه و نیتروژن از ( 1000 تا 38- ) درجه فارنهایت
الکل از ( 150 تا 95- ) درجه فارنهایت
وقتی جیوه یا الکل در معرض هوا یا مایعی گرمتر از خود قرار گیرند منبسط می شوند و در لوله بالا می روند انبساطی جزئی سبب حرکت قابل توجه رو به بالا می شود مقیاس درجه ای که روی شیشه دماسنج جیوه ای چاپ شده دما را نشان می دهد.
1-دما سنج را در فشار مطلق 14.7 psi درون یخ ذوب شده قوطه ور و سر ستون جیوه را نشان گزاری می کنند این نقطه به نام صفر درجه سانتیگراد نقطه انجماد آب می باشد .
2-دماسنج را در آب جوش در فشار مطلق 14.7 psi قوطه ور و سر ستون جیوه را نشان گزاری می کنند این نقطه به نام صد درجه سانتیگراد نقطه جوش آب است .
3-فاصله بین نقاط انجماد و جوش را بر حسب مقیاس سلسیوس یا فارنهایت به ترتیب به 100 قسمت یا 180 قسمت مساوی تقسیم می کنند .
دما سنج سلسیوس مقیاس منطقی تری نسبت فارنهایت دارد و معمولا در محاسبات علمی از مقیاس سلسیوس استفاده می شود ولی فارنهایت در بین مهندسان و افراد دیگری برای مقاصد روزانه به طور وسیع تری مورد استفاده قرار می گیرد .
اندازه گیری دماهای بسیار بالا :
آذرسنجها می توانند دماهایی بالاتر از گستره کار دماسنجها را اندازه گیری کنند انواع آنها متعدد است ولی آذرسنجهای الکتریکی از همه متداولترند ترموکوبل و آذرسنجهای نوری از این جمله اند .
در ترموکوبل دو میله فلزی غیر هم جنس در یک لوله چینی متصل و درز بندی شده اند سیمها به این میله ها و به یک گالوانومتر وصل می شوند لوله حاوی میله ها در نقطه ای قرار می دهیم که هدف اندازه گیری دمای آن می باشند به افزایش دمای میله ها ولتاژی الکتریکی در محل اتصال القا می شود که با اختلاف دما بین اتصال گرم و اتصال سرد متناسب است جریان حاصل در مدار جاری می شود و عقربه گالوانومتر را حرکت می دهد صفحه مدرج گالوانومتر بر مبنای دما درجه بندی می شود .
آذرسنج نوری شامل تلسکوپی با یک فیلامان ( رشته ) کوچک است که وقتی جریان الکتریکی از آن می گذرد گرم و سرخ می شود در مدار فیلامان یک باطری و یک گالوانومتر قرار دارد که به وسیله مقاومت متغییری که در تلسکوپ نصب شده جریان گذرا از فیلامان را تغییر می دهیم تا به هنگا م تمرکز یافتن تلسکوپ روی شعله یا دیواره کوره ، فیلامان کاملا از نظر محو شود. در این نقطه دما روی صفحه مدرج خوانده می شود .
بر خلاف ترموکوبل هیچ قسمتی از آذرسنج نوری در معرض گرمای مستقیم کوره نیست و می توان در فاصله ای مناسب از شعله دما را اندازه گیری کرد کار این وسیله به این حقیقت بستگی دارد که رنگ و دما با هم رابطه ای یکسان دارند .
آذرسنج نوری الکتریکی دارای یک باطری است ولی ترموکوبل باطری لازم ندارد.
مقدار گرما :
مقدار گرما با واحد گرمایی بریتانیا ( Btu ) سنجیده می شود . یک Btu 180/1 گرمای لازم برای افزایش دمای یک پوند آب از 32 تا 212 درجه فارنهایت یا مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک پوند آب به اندازه یک درجه فارنهایت است.
مقدمه امروزه، بیش از هر دوران در گذشته گرما ( انرژی ) کلید تمدن جدید است و منابع شناخته شده انرژی روز به روز تحلیل می روند بنابراین بدیهی است مهندسی که با تجهیزات استخراج گرما و تبدیل آن به انرژی سرو کار دارد باید درباره گرما اطلاعات کافی داشته باشد.
گرما
شکلی از انرژی که از جنبش مولکولی ناشی می شود. فرض می شود مولکولهای هر ماده بطور پیوسته در جنبش اند و شدد گرما ( یا دما ) به سرعت لرزش مولکولی بستگی مستقیم دارد در صورتیکه آهنگ لرزش جسمی افزایش یابد دمای افزایش و در صورتیکه آهنگ لرزش کاهش یابد دما نیز کاهش می یابد.
برای درک کامل این موضوع در نظر داشته باشید که فقط در صفر مطلق 459.8 – درجه فارنهایت هیچ گونه جنبش مولکولی و بنابراین هیچ گرمایی وجود ندارد و این بدین معنی است که مولکولهای هر جسم بالای صفر مطلق حرکت ثابتی دارند .
گرم کردن اجسام :
گرم کردن جسم سبب
1- بالا رفتن دما،
2- تغییر حالت ، به طور مثال از جامد به مایع یا مایع به گاز
3- انجام کار بیرونی به وسیله انبساط جسم جامد، مایع یا گاز می شود.
اگر به یخ گرما داده شود تا به آب تبدیل شود و بنابراین بدون افزایش دما تغییر حالت دهد تمام این آثار دیده می شود حال چنانچه گرما دادن ادامه یابد تا آب به نقطه جوش برسد دمای آن افزایش می یابد بدون آنکه تغییر حالت دهد سرانجام اگر باز هم گرما داده شود آب بخار می شود که تغییر حالتی دیگر است اما دمای آن افزایش نمی یابد .
با تولید بخار فشاری نیز به دیواره مخزن که بخار در آن محفوظ است اعمال می شود اگر این مخزن سیلندری حاوی پیستون متحرک باشد بخار می تواند پیستون را حرکت داده کار خارجی انجام دهد.
انتقال گرما :
بهتر است که گرما را مانند سیالی در نظر بگیریم که از جسمی به جسم دیگر جریان پیدا می کند ولی به بیان دقیق هیچ ماده فیزیکی منتقل نمی شود مولکولهای ماده گرمتر نسبت به ماده سردتر با آهنگ بالاتری حرکت می کنند بنابراین زمانی که دو جسم با دمای مختلف با هم تماس پیدا کند جنبش مولکولی در جسم سردتر افزایش و در جسم گرمتر کاهش می یابد تا تعادل برقرار شود گرما معمولا از جسم گرمتر به جسم سردتر انتقال می یابد مگر اینکه به کمک عاملی بیرونی ( مثلا در سرد کننده ها ) جهت انتقال گرما به طور مصنوعی برعکس انجام شود.
دما :
معیاری از شدت گرما یا درجه گرمی یا سردی با مقدار گرما یا سرما تفاوت دارد ممکن است جسمی کوچک و جسمی بزرگ دقیقا دمای یکسان داشته باشد ولی بدیهی است که جسم بزرگ مقدار گرمای بسیار بیشتری از جسم کوچک دارد.
ب- اندازه گيری دما
اهمیت اندازه گیری دما :
به دلیل کنترل کیفیت ، زیرا دمای بخار ( درجه ******** هیت ) عملیات گرمایی فلزات ، استریل کردن ، پاستوریزه کردن شیر، پالایش نفت ، و کار ایمن ماشین آلات در هر صنعتی که شامل فرایندهای گرمایش و سرمایش باشد به طور گسترده ای به اندازه گیری دما بستگی دارد.
یکاهای دما :
در مقیاس دمای فارنهایت اختلاف دما بین نقطه انجماد و تبخیر آب به 180 قسمت یا درجه تقسیم می شود رقم 32 درجه فارنهایت را نقطه انجماد و 212 درجه فارنهایت را نقطه تبخیر در نظر می گیرند .
در مقیاس دمای سانتیگراد اختلاف دما بین یخ و بخار آب به 100 قسمت یا درجه تقسیم می شود صفر درجه سانتیگراد نقطه انجماد نسبی و 100 درجه سانتیگراد نقطه تبخیر آب است .
مقیاس دمای کلوین مقیاس دمای مطلق است پائین ترین دمای نظری یا صفر مطلق صفر درجه کلوین وضعیتی است که در آن دما مولکولها از جنبش باز می ایستند و هیچ گرمایی وجود ندارد.
در مقیاس فارنهایت این نقطه 459.8 درجه کلوین زیر صفر و در مقیاس سانتیگراد 273 درجه سانیگراد زیر صفر نقطه انجماد آب 273 درجه کلوین یا صفر درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 373 درجه کلوین یا 100 درجه سانتیگراد است.
منظور از دمای مطلق :
حجم گاز کامل تحت فشار ثابت به ازای هر درجه سانتیگراد کاهش دما ، به اندازه 273/1 حجم آن در صفر درجه سانتیگراد کاهش می یابد از مطلب معلوم میشود که در 273 درجه سانتیگراد زیر صفر در مقیاس سانتیگراد حجم گاز به صفر می رسد و جنبش مولکولی که سبب ایجاد گرما می شود کاملا متوقف می شود این دمای بسیار پائین صفر مطلق نامیده می شود و پائین ترین دمایی است که می توان به آن دست یافت.
محاسبات دمای مطلق از صفر درجه مطلق صورت می گیرد برای تبدیل درجه فارنهایت به درجه مطلق عدد 460 و در تبدیل درجه سانتیگراد به درجه مطلق عدد 273 اضافه می شود.
یکاهای اندازه گیری دما :
دما بر حسب درجه اندازه گیری می شود دماسنجها گستره دماهای معمولی تا 1000 درجه فارنهایت را اندازه گیری می کنند برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا و بیرون از گستره کار دماسنجها از آذرسنج ( پیرومتر ) استفاده می شود.
ساختمان دماسنج:
دماسنج لوله ای است شیشه ای که سوراخ بسیار باریکی در وسط دارد یک سر آن به شکل حباب است و سر دیگر بسته شده حباب و قسمتی از لوله با مایع که معمولا جیوه یا الکل در آن است پر می شود هوای باقی مانده لوله را تخلیه می کنند بجز در دماسنجهای مورد استفاد ه در دماهای بسیار بالا که فضای باقی مانده با گاز مخصوصی پر می کنند گستره های تقریبی کار دماسنجهای شیشه ای متداول عبارت اند از:
جیوه ای از (750 تا 38- ) درجه فارنهایت
جیوه و نیتروژن از ( 1000 تا 38- ) درجه فارنهایت
الکل از ( 150 تا 95- ) درجه فارنهایت
وقتی جیوه یا الکل در معرض هوا یا مایعی گرمتر از خود قرار گیرند منبسط می شوند و در لوله بالا می روند انبساطی جزئی سبب حرکت قابل توجه رو به بالا می شود مقیاس درجه ای که روی شیشه دماسنج جیوه ای چاپ شده دما را نشان می دهد.
1-دما سنج را در فشار مطلق 14.7 psi درون یخ ذوب شده قوطه ور و سر ستون جیوه را نشان گزاری می کنند این نقطه به نام صفر درجه سانتیگراد نقطه انجماد آب می باشد .
2-دماسنج را در آب جوش در فشار مطلق 14.7 psi قوطه ور و سر ستون جیوه را نشان گزاری می کنند این نقطه به نام صد درجه سانتیگراد نقطه جوش آب است .
3-فاصله بین نقاط انجماد و جوش را بر حسب مقیاس سلسیوس یا فارنهایت به ترتیب به 100 قسمت یا 180 قسمت مساوی تقسیم می کنند .
دما سنج سلسیوس مقیاس منطقی تری نسبت فارنهایت دارد و معمولا در محاسبات علمی از مقیاس سلسیوس استفاده می شود ولی فارنهایت در بین مهندسان و افراد دیگری برای مقاصد روزانه به طور وسیع تری مورد استفاده قرار می گیرد .
اندازه گیری دماهای بسیار بالا :
آذرسنجها می توانند دماهایی بالاتر از گستره کار دماسنجها را اندازه گیری کنند انواع آنها متعدد است ولی آذرسنجهای الکتریکی از همه متداولترند ترموکوبل و آذرسنجهای نوری از این جمله اند .
در ترموکوبل دو میله فلزی غیر هم جنس در یک لوله چینی متصل و درز بندی شده اند سیمها به این میله ها و به یک گالوانومتر وصل می شوند لوله حاوی میله ها در نقطه ای قرار می دهیم که هدف اندازه گیری دمای آن می باشند به افزایش دمای میله ها ولتاژی الکتریکی در محل اتصال القا می شود که با اختلاف دما بین اتصال گرم و اتصال سرد متناسب است جریان حاصل در مدار جاری می شود و عقربه گالوانومتر را حرکت می دهد صفحه مدرج گالوانومتر بر مبنای دما درجه بندی می شود .
آذرسنج نوری شامل تلسکوپی با یک فیلامان ( رشته ) کوچک است که وقتی جریان الکتریکی از آن می گذرد گرم و سرخ می شود در مدار فیلامان یک باطری و یک گالوانومتر قرار دارد که به وسیله مقاومت متغییری که در تلسکوپ نصب شده جریان گذرا از فیلامان را تغییر می دهیم تا به هنگا م تمرکز یافتن تلسکوپ روی شعله یا دیواره کوره ، فیلامان کاملا از نظر محو شود. در این نقطه دما روی صفحه مدرج خوانده می شود .
بر خلاف ترموکوبل هیچ قسمتی از آذرسنج نوری در معرض گرمای مستقیم کوره نیست و می توان در فاصله ای مناسب از شعله دما را اندازه گیری کرد کار این وسیله به این حقیقت بستگی دارد که رنگ و دما با هم رابطه ای یکسان دارند .
آذرسنج نوری الکتریکی دارای یک باطری است ولی ترموکوبل باطری لازم ندارد.
مقدار گرما :
مقدار گرما با واحد گرمایی بریتانیا ( Btu ) سنجیده می شود . یک Btu 180/1 گرمای لازم برای افزایش دمای یک پوند آب از 32 تا 212 درجه فارنهایت یا مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک پوند آب به اندازه یک درجه فارنهایت است.