بخار آب و ویژگی های آن

بخار آب چیست؟ راهنمای جامع انواع بخار، خواص ترمودینامیکی و کاربردهای صنعتی

بخار آب تنها یک پدیده‌ی فیزیکی نیست؛ بلکه یکی از مهم‌ترین منابع انرژی در صنایع مختلف است. از نیروگاه‌های برق تا خطوط تولید مواد غذایی، بخار نقش کلیدی در انتقال حرارت و تولید نیرو ایفا می‌کند. در این مقاله، به‌صورت کامل به بررسی انواع بخار آب، اصطلاحات ترمودینامیکی مرتبط، جدول بخار اشباع و کاربردهای عملی آن می‌پردازیم.

چگونه بخار آب تشکیل می شود؟

وقتی آب را گرم می کنیم، انرژی حرارتی باعث افزایش انرژی جنبشی مولکول ها می شود. در دمای خاصی که به آن دمای جوش یا دمای اشباع می گویند، مولکول های آب به اندازه ای انرژی پیدا می کنند که می‌توانند از سطح مایع جدا شده و به فاز گازی (بخار) تبدیل شوند.

در فشار اتمسفریک (1 بار)، این دماC° 100 است. در این نقطه، حباب‌های بخار درون مایع تشکیل شده و به سطح بالا می آیند. با این حال، دمای بخار و آب در حین جوشیدن یکسان است، اما انرژی درونی (آنتالپی) بخار بسیار بیشتر از آب مایع است.

نکته :بخار آب در فشارهای مختلف، دمای جوش متفاوتی دارد. هرچه فشار بیشتر باشد، دمای جوش نیز بالاتر می رود.

بخار اشباع (Saturated Steam) چیست؟

بخار اشباع به بخاری گفته می شود که در تعادل ترمودینامیکی با آب مایع خود قرار دارد. یعنی در یک فشار مشخص، دمای بخار دقیقاً برابر با دمای جوش آب است.

ویژگی های بخار اشباع:

• حاوی حداکثر انرژی قابل انتقال برای گرمایش است.
• در تماس با سطوح سردتر، بلافاصله چگالیده شده و گرمای نهان خود را آزاد می‌کند.
• در صنعت، بیشترین کاربرد را در سیستم های گرمایشی دارد.

آنتالپی و گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization)

در فرآیند تبدیل آب به بخار، دمای ماده تغییری نمی‌کند، اما انرژی زیادی جذب می شود. این انرژی، گرمای نهان تبخیر یا آنتالپی (hrg) تبخیر نام دارد.

در فشار اتمسفریک: 

• آنتالپی آب(hf) ≈ 419 kJ/kg 
• آنتالپی تبخیر(hfg) ≈ 2257 kJ/kg 
• آنتالپی کل بخار اشباع(hg) = hf + hfg ≈ 2676 kJ/kg

این گرما در هنگام چگالش بخار دوباره به محیط بازمی‌گردد و همین ویژگی، بخار اشباع را به بهترین رساننده‌ی حرارت تبدیل می‌کند.

جدول بخار اشباع (Steam Tables)

جدول بخار اشباع مجموعه‌ای از داده‌های تجربی است که خواص ترمودینامیکی بخار (مانند دما، فشار، آنتالپی، حجم ویژه) را در فشارهای مختلف نشان می‌دهد.

چرا بخار را در فشار بالا تولید می‌کنند؟

• در فشار 7 بار، دمای اشباع ≈C° 170
• آنتالپی آب(hf)  ≈ 721 kJ/kg
• آنتالپی تبخیر(hfg) ≈ 2048 kJ/kg(کمتر از فشار اتمسفریک)

با افزایش فشار:

• حجم ویژه بخار کاهش می‌یابد←لوله‌ها و شیرآلات کوچک‌تر و اقتصادی‌تر می‌شوند. 
• ظرفیت انتقال انرژی در حجم ثابت افزایش می‌یابد.

خواص بخار در فشارهای تقریبی 1، 5 و 10 بار

بخار فلاش (Flash Steam) چیست؟

بخار فلاش نوعی بخار اشباع است که بدون افزودن حرارت، تنها با کاهش فشار آب داغ (کندانس) تولید می شود.

مثال عملی:

• 1 کیلوگرم کندانس در 5barg(دمای ≈ 159°C) دارای آنتالپی ≈ 671kJ/kgاست. 
• اگر این کندانس به فشار اتمسفر (0barg) تخلیه شود، آنتالپی آب در این فشار فقط 419kJ/kgاست. 
• تفاضل انرژی (671 – 419 = 252kJ) باعث تبخیر بخشی از آب می شود ← بخار فلاش تولید می شود.

این پدیده در تانک‌های فلاش و خروجی تله‌های بخار دیده می شود و از نظر انرژی، صرفه‌جویی قابل توجهی ایجاد می‌کند.

بخار سوپرهیت (Superheated Steam) چیست؟

اگر بخار اشباع را فراتر از دمای اشباع گرم کنیم، بخار سوپرهیت به‌دست می‌آید. این بخار:

• خشک است (فاقد قطرات آب) 
• دمای آن بالاتر از دمای جوش در همان فشار است 
• ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی بالاتری دارد، اما ضریب انتقال حرارت پایین‌تری نسبت به بخار اشباع دارد

درجه سوپرهیت (Degree of Superheat)

تفاضل دمای بخار سوپرهیت و دمای اشباع در همان فشار را درجه سوپرهیت می‌نامند. 

مثال: در 10 بار، دمای اشباع = 180°C. اگر بخار به 200°Cگرم شود، درجه سوپرهیت = 20°C.

کاربردهای بخار سوپرهیت

1. توربین‌های بخار

• بخار سوپرهیت در ورودی توربین استفاده می شود تا از تشکیل قطرات آب در طی انبساط جلوگیری شود. 
• قطرات آب می‌توانند پره‌های توربین را خوردگی داده و ضربه‌های مخرب (water hammer) ایجاد کنند.

2. افزایش راندمان حرارتی

با استفاده از چرخه‌های ترمودینامیکی مانند چرخه رانکین بهبودیافته، بخار سوپرهیت باعث افزایش بازده نیروگاه‌ها می شود.

3. خشک‌کردن و فرآیندهای شیمیایی

در برخی فرآیندها که نیاز به عدم وجود رطوبت است، بخار سوپرهیت گزینه‌ی ایده‌آلی است.

شماتیک توربین بخار

آب زیر اشباع (Subcooled Water)

آبی که در دمایی پایین‌تر از دمای اشباع (در یک فشار مشخص) قرار دارد، آب زیر اشباع نامیده می شود. این آب هنوز به نقطه جوش نرسیده و برای تبدیل به بخار نیاز به دریافت گرمای حسی (sensible heat) دارد.

چرا بخار اشباع برای گرمایش بهتر از بخار سوپرهیت است؟

• بخار اشباع در هنگام چگالش، گرمای نهان زیادی آزاد می‌کند ← انتقال حرارت بسیار کارآمد. 
• بخار سوپرهیت مانند گاز داغ رفتار می‌کند و ضریب انتقال حرارت پایینی دارد ← برای گرمایش مناسب نیست.

بنابراین، در سیستم های گرمایشی صنعتی، بخار اشباع ترجیح داده می شود.

جمع‌بندی: کدام نوع بخار برای چه کاربردی مناسب است؟

❓❓❓ سوالات متداول ❓❓❓

❓ دمای آب جوش بیشتر است یا بخار آب؟

بسیاری از افراد با این سوال مواجه می شوند: «آیا دمای آب جوش بالاتر است یا بخار آب؟» پاسخ علمی این پرسش، در ظاهر ساده است، اما درک دقیق آن نیازمند آشنایی با مفاهیم ترمودینامیک و حالت های ماده دارد.

در فشار استاندارد جو (1 اتمسفر یا 101.3 کیلوپاسکال)، دمای آب جوش و بخار آب هر دو برابر با 100 درجه سانتی گراد (°C) است. این بدان معناست که در لحظه ای که آب به نقطه جوش خود می رسد، هم آب مایع در حال جوشیدن و هم بخار حاصل از آن، دمای یکسانی دارند.

اما تفاوت اصلی در انرژی گرمایی پنهان (latent heat) است، نه دما. برای تبدیل آب مایع به بخار، انرژی اضافی (معروف به گرمای نهان تبخیر) نیاز است که بدون افزایش دما، ساختار مولکولی آب را از حالت مایع به گازی تغییر می دهد.

❓ پس چرا بخار آب سوزاننده تر است؟

اگرچه دمای بخار و آب جوش یکسان است، بخار آب توانایی انتقال انرژی بیشتری به پوست یا سطوح دارد. زیرا هنگام تماس با سطح سردتر (مثل پوست انسان)، بخار فوراً متراکم شده و گرمای نهان خود را آزاد می کند. این فرآیند باعث سوختگی شدیدتری نسبت به آب جوش می شود—نه به خاطر دمای بالاتر، بلکه به خاطر مقدار انرژی بیشتری که منتقل می کند.

❓ اگر فشار تغییر کند چه می شود؟

در شرایط فشار غیراستاندارد (مثلاً در ارتفاعات بالا یا در بویلرهای صنعتی)، نقطه جوش آب تغییر می کند. در فشارهای بالاتر (مانند سیستم های صنعتی)، آب می تواند بالاتر از 100°C جوش بیاورد، و در نتیجه بخار نیز دمای بالاتری خواهد داشت. اما در هر شرایطی، هنگام تعادل فازی، دمای آب جوش و بخار حاصل از آن یکسان است.

سوال دارید؟ یا نیاز به مشاوره در سیستم های بخار دارید؟

• اگر در طراحی، بهینه‌سازی یا عیب‌یابی سیستم های بخار نیاز به کمک دارید، با کارشناسان ما تماس بگیرید. ما با ارائه‌ی راهکارهای مبتنی بر داده‌های ترمودینامیکی دقیق، به شما کمک می کنیم تا مصرف انرژی را کاهش و بازده سیستم را افزایش دهید. ☎️☎️☎️