بالعربي

المكثف السطحي (Surface condenser)

هو مصطلح يستخدم عادة لانبوب مياه باردة مع مبدل حراري مثبت على البخار العادم الخارج من التوربينات البخارية في محطات توليد الطاقة الحرارية.

هذه المكثفات هي مبدلات حرارية تعمل على تحويل البخار من حالته الغازية الى الحالة السائلة على ضغط أقل من الضغط الجوي, وفي حال تزويد الماء بشكل قصير, يستخدم مكثف الهواء البارد, ولكنه إلى حد كبير أكثر تكلفة ولا يصل لضغوظ التوربينات المنخفضة كما في مكثف سطح المياه الباردة.
ومكثفات السطح تستخدم ايضاً في بعض التطبيقات والصناعات, ولا تقتصر على تكثيف البخار الخارج من التوربينات في محطات توليد الطاقة.

 

الهدف

            في محطات توليد الطاقة, الهدف من المكثفات السطح هو تكثيف البخار الخارج من التوربينات للحصول على أفضل كفاءة وأيضاً لتحويل البخار الخارج من التوربينات الى مياه نقية, بحيث يمكن إعادة إستخادمها في مولد البخار أو الحارق.

لماذا هو مطلوب

التوربينات البخارية هي أجهزة تعمل على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية, الفرق بين الحرارة في وحدة الكتلة عند دخولها التوربينات والحرارة في وحدة الكتلة عند مخرج التوربينات يمثل الحرارة الي تم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية, لذلك, كلما زادت كمية الحرارة لكل كيلوجرام او باوند المتحولة في التوربينات الى طاقة ميكانيكية, كلما زادت الكفاءة.

من خلال تكثيف البخار الخارج من التوربينات عند ضغط اقل من الضغط الجوي, يتم زيادة فرق الضغط بين مدخل ومخرج التوربينات, مما يؤدي الى زيادة كمية الحرارة المتاحة لتحويلها إلى طاقة ميكانيكية.

معظم الحرارة المنبثة نتيجة التكثيف من البخار الخارج من التوربينات تذهب خارجاً من خلال الوسط البارد(الهواء او البارد) من خلال مكثف السطح.

 

شكل ومخطط مكثف سطح المياه الباردة

الرسم بياني المجاور يصور تماماً مكثف سطح المياه الباردة كما في محطات توليد الطاقة لتكثيف البخار الخارج من التوربينات المحركة لمولد كهربائي, وغيرها من التطبيقات

وهناك العديد من التصاميم المختلفة, وتعتمد في هذا على الشركات المصنعة وحجم التوربينات بالظروف الطبيعية.

القوقعة

هو الجسم الخارجي للمكثف ويحتوي على أنابيب المبدل الحراري, وهو مصنوع من ألواح الحديد الكربوني, وتعتمد في صلابتها حسب ظروف الاستخدام.

عند عمل تصميم معين, يتم تثبيت الألواح المتوسطة لتعمل كألواح صد للتزويد بالتدفق اللازم لتكثيف, وأيضاً تعمل على التدعيم من خلال منع تراجع المتدفق في الانبوب الطويل.

في الجزء السفلي من القوقعة, حيث تجتمع المتكثفات في المخرج, في بعض التصاميم يتم توفير حوض, يتم صخ الماء المتكثف ليعاد إستخدامه في توزيد المياه في الحارق.

معظم مكثفات سطح المياه الباردة, تكون القوقعة تحت الفراغ او انعدام الضغظ في الظروف الطبيعية.

 

نظام التفريغ

بالنسبة لمكثف سطح المياه الباردة, يتم تزويد فراغ الحوض الداخلي عن طريق نظام يوصل البخار ويحافظ عليه من خلال انبوب باعث خارجي, ويعمل هذا النظام على إزالة الغازات الغير متكثفة الموجودة على السطح من خلال دفع البخار.
تأثير فنتوري, وهي حالة خاصة من مبدأ برنولي, تطبق من خلال عملية قذف البخار.
وهناك ماتورات تحرك مضخات الضغط الميكانيكية, مثل نوع liquid ring, تستخدم لهذه الحالة.

لوحة الانابيب

عند كل نهاية في القوقعة, يوجد لوحة سميكة مصنوعة من الستانلس ستيل مع فتحتات للخروج, وتكون نهاية لبمدخل واسعة وذلك لتسهيل دخول المياه, وذلك لتجنب حدوث دوامات وإضطرابات التي تؤدي الى التأكل,وايضاً لتقليل اللإحتكاك, ويوصي بعض المصنعين بإستخدام البلاستيك عند مدخل الانابيب لتجنب التأكل عند نهاية مدخل الانبوب, وفي وحدات اصغر تستخدم الشركات المصنعة الحلقات الثابتة بدلا من الملتفة.

للحفاظ على طول الانابيب من التوسع والتمدد, يعمل المصمين على استدام وصلات التمدد بين القوقعة ولوحة الانابيب وذلك لسماح بالتدفق بشكل طولي, وفي وحدات اصغر تثنى الانابيب لجمايتها من التمدد عند نهاية صندوق الانابيب المثبت بالقوقعة.

 

الأنابيب

عموماً, تتكون الانابيب من الستانلس ستيل, النحاس مثل البراس او البرونز, النيكل الكربوني او التيتانيوم, وذلك إعتمادا على عدة معايير للاختبار, استخدام النحاس مثل البراس والالنيكل الكربوني نادراً في المحطات الجديدة, وذلك بسبب المخاوف البيئية من النحاس السام, وايضاً يعتمد على دورة معالجة المياه, قد يفضل عدم استخدام الانابيب المحتوية على نحاس, انابيب التيتانيوم للمكثف بالعادة هي الافضل عملياً, ولكنها في الواقع غير مرغوب فيها وذلك لتكاليفها الباهظة.

تتراوح اطوال الانابيب تقريباً الى 85 قدم(26م) لمحطات الطاقة الحديثة, إعتمادا على حجم المكثف, الحجم يختار بناءاً على قابلية النقل والتركيب والتثبت من موقع التصنيع الى موقعه في المحطة, القطر الخارجي لانبوب المكثف يتراوح بين 3\4 انش الى 1-1\4 انش, اعتمادا على معرفة معدل تبريد المياه للمكثف والحجم الكلي للمكثف.

 

صناديق المياه

لوحة الانابيب عند نهايتها تلتف مع نهاية كل انبوب, وعند كل نهاية  للمكثف تغلق بواسطة غطاء مكعب يعرف ب صندوق المياه, مع وصلات اتصال مع لوحة الانابيب والقوقعة للمكثف, ويزود صندوق المياه بفتحات على السطح لسماح بمتابعته وتنظيفه.

تجتوي صناديق المياه في المدخل على وصلات مع الصمامات المتشعبة لمدخل المياه الباردة, ةصمام تهوية مع صمام تحكم يدوي لتهوية عند مستويات عالية, وصمام يدوي لتشغيل صمام استنزاف المياه في الاسفل لسحب المياه من صندوق المياه عند الصيانة.

بشكل مماثل عند مخرج صندوق المياه, المياه الباردة لها جلقات اتصال, وصمامات متشعبة, ووصلات تهوية عند مستويات عاليو ووصلات استنزاف عند مستويات منخفضة, وبالمثل يوجد مقياس حرارة عند مدخل ومخرج الانابيب لقياس حرارة المياه الباردة.

في وحدات اصغر, بعض المصنعين يصنعون قوقعة المكثف مثل صندوق المياه من الcast iron

 

التآكل

على جانب مياه التبريد للمكثف:

الأنابيب ولوحات الأنابيب وصناديق المياه قد تكون مصنوعة من مواد ذات تركيبات مختلفة وعلى إتصال دائم مع المياه الجاري تدويرها, هذا الماء يعتمد على التراكيب الكيميائية, وسيكون محلل كهربائياً بين التكوين المعدني للانبوب وصندوق المياه, وهذا يؤدي الى التأكل بفعل الكهرباء الذي سيبدأ اولاً من المواد الأنوديك.

مكثفات السطح الموجودة في البحر تحديداً المحتوية على ملوثات, لديها أسوأ خصائص لتأكل,بالإضافة الى ملوثات الأنهار غير مرغوب فيها لمكثفات التبريد.

التأكل المسبب بالبحر والأنهار يجب معالجته لكي يتعامل معه, ومن هذه الطرق إستخدام هيدروكربونات الصوديوم او الكلور لضمان عدم نمو كائنات في الأنابيب, ويجب متابعتها دائماً لضمان عدم تأثر المياه المعادة للبحر والنهر.

 

على جانب البخار(القوقعة) من المكثف:

تركيز الغازات الغير مذابة فوق منطقة الأنابيب مرتفعة,لذلك تتعرض هذه الانابيب الى ارتفاع معدلات التأكل,بعض الأحيان تتعرض للإجهاد بسبب التشققات, اذا كان هناك مشاكل التصنيع, لتغلب على هذه التأكلات, بعض المصنعين يزودوها بانابيب ذات مقاومة عالية للتاكل عند تلك المناطق.

 

آثار التأكل

عنما يحدث التأكل عند أطراف الانبوب, هناك إحتميالية لتسرب المياه الباردة باتجاه البخار مما يؤدي الي تلويث البخار المتكثف, وهذا خطر على مولدات البخار.

والاجزاء الأخرى من صناديق المياه قد تتعرض للمشاكل على المدى البعيد وهذا يتطلب إصلاحها او إستبدالها باخرى تتحمل مدى أطول لحين تلفها.

 

الحماية من التأكل

الحماية الكاثودية هي ما تستخدم بالعادة لتغلب على هذه المشكلة,حيث توضع لوحات الانود الذواب للزينك(أقل تكلفة) في أماكن مناسبة داخل صناديق المياه.

في البداية لوحات الزينك سوف تتأكل في النقاط المنخفضة في الانودات, بالتالي فإن لوحات الانود تتطلب فحص دوري أو إستبدال كل فترة, وهذا يعود للوقت الاقل نسبياً في التحمل عند  تلك النقاط المنخفضة.

صناديق المياه المصنوعة أيضاً من الحديد محمية بواسطة الطلاء الايبوكسي.

 

آثار شوائب الانبوب

كما قد يتوقع الشخص, مع مليونات الجالونات من المياه المدورة المتدفقة من خلال أنابيب المكثف من المياه النقية او مياه البحر, اي شيء موجود داخل المياه المتدفقة قد يدخل من خلال الأنابيب, وقد يصل الى لوحة الأنابيب او يبقى داخل الأنابيب, شوائب الانبوب من المكثف تنقسم الى خمس فئات: الجسيمات الخارجة مثل الرواسب والطمي, biofouling مثل الوحل والاغشية الحيوية, المتبلورة مثل كربونات الكالسيوم, macrofouling  وهي الاجسام الضخمة مثل الخشب وغيرها من الحطام التي تمنع التدفق في الانبوب, وأخيرا التأكل كما حدثنا سابقاً

أعتماداً على مدى الشوائب, يمكن أن يكون التأثير شديد جداً على مقدرة المكثف لتكثسف البخار الخارج من التوربين, مع تراكم الشوائب داخل الانبوب, يتم إنشاء العزل وتنخفض خصائص انتقال الحرارة, حيث يتطلب ذلك لتباطأ التوربين الى نقطة تمكن المكثف من التعامل مع البخار الخارج من التوربين, وهذا قد يكلف جداً محطات توليد الطاقة على شكل تخفيص الانتاج وزيادة معدل إستهلاك الوقود للحرق وزيادة إنبعاث الCO2. هذا الانخفاض في الاداء من التوربينات بسبب الشوائب في المكثف مؤشر للحاجة لتنظيف الانابيب من اجل عودة التوربين لأداءه الجيد, وتتوفر عدة طرق جيدة لتنظيف وايضاً توفر الخيارات على الانترنت ويعتمد ذلك على ظروف كل محطة.

 

تطبيقات أخرى للمكثف السطحي:

  • التبخر الفراغي

  • التبريد الفراغي

  • Ocean Thermal Energy(OTEC)

  • إستبدال المكثفات البارومترية في المخرج المتحكم به بواسطة البخار

  • إستغلال الطاقة الحرارية الأرضية.

  • أنظمة تحليل المياه.

 

 

الفحص:

هنالك رموز إختبار دولية وعالمية لتوحيد الاجراءات والتعاريف الممستخدمة في معرفة مدى جودة المكثفات الضخمة, في الولايات المتحدة المجتمع الامريكي لهندسة الميكانيك نشر عدة رموز اختبار الأداء على المكثفات والمبدلات الحرارية ومنها  ASME PTC 12.2-2010\المكثف السطحي للبخار, وPTC 30.1-2007\مكثف بخار مبرد بالهواء.

 

المصادر

 

اترك تعليق

آخر المقالات