Buhar Nedir?

Buharın özellikleri burada açıklanmaktadır; basınç altındaki buharın büyük miktarda enerji taşıma ve daha sonra serbest bırakma yeteneği dahil. Konular arasında doygun buhar tabloları, kuruluk oranı ve flaş buhar yer almaktadır.

Buharın özelliklerinin daha iyi anlaşılması, maddenin genel moleküler ve atomik yapısının anlaşılması ve bu bilginin buz, su ve buhara uygulanmasıyla sağlanabilir. Bir molekül, o maddenin tüm kimyasal özelliklerini hâlâ taşıyan herhangi bir elementin veya bileşik maddenin var olabilen en küçük miktarıdır. Moleküllerin kendileri, hidrojen ve oksijen gibi temel elementleri tanımlayan atom adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşur. Bu atomik elementlerin belirli kombinasyonları bileşik maddeleri sağlar. Böyle bir bileşik, iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşan moleküllere sahip kimyasal formül H2O ile temsil edilir. Suyun dünyada bu kadar bol olmasının nedeni, hidrojen ve oksijenin evrendeki en bol elementler arasında olmasıdır. Karbon da önemli bolluğa sahip bir başka elementtir ve tüm organik maddelerin temel bileşenidir. Çoğu mineral madde, faz olarak adlandırılan üç fiziksel durumda (katı, sıvı ve buhar) bulunabilir. H2O durumunda, buz, su ve buhar terimleri sırasıyla üç fazı belirtmek için kullanılır. Buz, su ve buharın moleküler düzeni hâlâ tam olarak anlaşılmamıştır, ancak moleküllerin elektrik yükleriyle birbirine bağlanmış (hidrojen bağı olarak adlandırılır) olarak düşünülmesi uygundur. Moleküllerin uyarılma derecesi, maddenin fiziksel durumunu (veya fazını) belirler.

All the three phases of a particular substance can only coexist in equilibrium at a certain temperature and pressure, and this is known as its triple point.

The triple point of H2O, where the three phases of ice, water and steam are in equilibrium, occurs at a temperature of 273.16 K and an absolute pressure of 0.006 112 bar. This pressure is very close to a perfect vacuum. If the pressure is reduced further at this temperature, the ice, instead of melting, sublimates directly into steam.

Ic​e

In ice, the molecules are locked together in an orderly lattice type structure and can only vibrate. In the solid phase, the movement of molecules in the lattice is a vibration about a mean bonded position where the molecules are less than one molecular diameter apart. The continued addition of heat causes the vibration to increase to such an extent that some molecules will eventually break away from their neighbours, and the solid starts to melt to a liquid state. At atmospheric pressure, melting occurs at 0 °C. Changes in pressure have very little effect on the melting temperature, and for most practical purposes, 0 °C can be taken as the melting point. However, it has been shown that the melting point of ice falls by 0.0072 °C for each additional atmosphere of pressure. For example, a pressure of 13.9 bar g would be needed to reduce the melting temperature by 0.1 °C. Heat that breaks the lattice bonds to produce the phase change while not increasing the temperature of the ice, is referred to as enthalpy of melting or heat of fusion. This phase change phenomenon is reversible when freezing occurs with the same amount of heat being released back to the surroundings. For most substances, the density decreases as it changes from the solid to the liquid phase. However, H2O is an exception to this rule as its density increases upon melting, which is why ice floats on water.

Su

Sıvı fazda moleküller serbestçe hareket edebilir, ancak karşılıklı çekim nedeniyle bir molekül çapından daha az mesafededir ve çarpışmalar sık sık meydana gelir. Daha fazla ısı, moleküler ajitasyonu ve çarpışmayı artırarak sıvının sıcaklığı kaynama sıcaklığına kadar yükseltir. Suyun entalpisi, sıvı entalpisi veya duyulur ısısı (hf) Bu, suyun sıcaklığını 0 °C referance noktasından mevcut sıcaklığına çıkarmak için gerekli ısı enerjisidir. 0 °C’lik bu referans durumunda, suyun entalpisi keyfi olarak sıfıra ayarlanmıştır. Diğer tüm durumların entalpisi daha sonra kolayca erişilebilir bu referans durumuna göre belirlenebilir. Duyulur ısı bir zamanlar kullanılan terimdir, çünkü suya eklenen ısı bir sıcaklık değişikliği üretirdi. Ancak günümüzde kabul edilen terimler sıvı entalpisi veya suyun entalpisidir. Atmosfer basıncında (0 bar g), su 100 °C’de kaynar ve 1 kg suyu 0 °C’den 100 °C kaynama sıcaklığına ısıtmak için 419 kJ enerji gerekir. Suyun özgül ısısının (Cp) 4.19 kJ/kg °C değeri, 0 °C ile 100 °C arasındaki çoğu hesaplama için bu rakamlardan türetilmiştir.

Buhar

Sıcaklık arttıkça su kaynama koşullarına yaklaştığında, bazı moleküller sıvıdan yüzeyin üstündeki alana anlık olarak kaçmalarına izin veren hızlara ulaşmak için yeterli kinetik enerji kazanır ve ardından tekrar sıvıya düşer. Daha fazla ısıtma daha fazla heyecanlanmaya neden olur ve sıvıdan ayrılmak için yeterli enerjiye sahip moleküllerin sayısı artar. Suyun kaynama noktasına ısıtılmasıyla, içinde buhar kabarcıkları oluşur ve yüzeyi yarmak için yükselir. Sıvılar ve buharların moleküler düzenini göz önünde bulundurarak, buharın yoğunluğunun sudan çok daha düşük olması mantıklıdır, çünkü buhar molekülleri birbirinden daha uzaktadır. Su yüzeyinin hemen üstündeki alan böylece daha az yoğun buhar molekülleriyle dolar. Sıvı yüzeyinden ayrılan moleküllerin sayısı tekrar girenlerden daha fazla olduğunda, su serbestçe buharlaşır. Bu noktada kaynama noktasına veya doyma sıcaklığına ulaşmıştır, çünkü ısı enerjisiyle doymuştur. Basınç sabit kalırsa, daha fazla ısı eklenmesi sıcaklığı daha fazla yükseltmez, ancak suyun doygun buhar oluşturmasına neden olur. Aynı sistemdeki kaynayan suyun ve doygun buharın sıcaklığı aynıdır, ancak birim kütledeki ısı enerjisi buharda çok daha fazladır. Atmosfer basıncında doyma sıcaklığı 100 °C’dir. Ancak basınç artırılırsa, bu faz değişikliği olmadan daha fazla ısı eklenmesine ve sıcaklığın artmasına izin verecektir. Bu nedenle, basıncın artırılması etkili bir şekilde hem suyun entalpisini hem de doyma sıcaklığını artırır. Doyma sıcaklığı ile basınç arasındaki ilişki, buhar doyma eğrisi olarak bilinir (Şekil 2.2.1’e bakın).

Su ve buhar, her ikisi de doyma sıcaklığında olmak üzere, bu eğri üzerindeki herhangi bir basınçta bir arada bulunabilir. Doyma eğrisi üzerindeki koşulların üstünde olan buhara aşırı ısınık buhar denir:

• Doyma sıcaklığının üzerindeki sıcaklığa buharın aşırı ısınma derecesi denir.
• Eğrinin altındaki koşullardaki suya alt doymuş su denir. Buhar kazandan üretildiği hızda akabiliyorsa, daha fazla ısı eklenmesi sadece üretim hızını artırır. Buhar kazandan ayrılmaya kısıtlanırsa ve ısı girişi hızı sürdürülürse, kazana akan enerji akan enerjiden daha fazla olacaktır. Bu fazla enerji basıncı artırır ve bu da doygun buharın basıncıyla ilişkili olduğundan, doyma sıcaklığının yükselmesine izin verir. Buharlaşma entalpisi veya gizli ısı (hfg) Bu, suyun kaynama sıcaklığındaki durumunu buhara değiştirmek için gereken ısı miktarıdır. Buhar/su karışımının sıcaklığında herhangi bir değişiklik içermez ve tüm enerji sıvıdan (su) buhara (doygun buhar) durumunu değiştirmek için kullanılır. Gizli ısı eski terimi, ısı eklenmesine rağmen sıcaklıkta değişiklik olmaması gerçeğine dayanmaktadır. Ancak kabul edilen terim artık buharlaşma entalpisidir. Buzdan suya faz değişikliği gibi, buharlaşma süreci de geri dönüşümlüdür. Buharı üreten aynı miktarda ısı, buhar daha düşük sıcaklıktaki herhangi bir yüzeyle karşılaştığında yoğunlaşma sırasında çevresine geri salınır. Bu, buhardaki ısının ısıtma amaçları için faydalı kısmı olarak düşünülebilir, çünkü bu, buhar tekrar suya yoğuştuğunda buhardaki toplam ısıdan çıkarılan kısımdır. Doygun buharın entalpisi veya toplam ısısı Bu, doygun buhardaki toplam enerjidir ve basitçe suyun entalpisi ile buharlaşma entalpisinin toplamıdır.

Doygun buharın entalpisini (ve diğer özelliklerini) kolayca referans almak için, buhar tabloları olarak bilinen önceki deneylerin tablolanmış sonuçları kullanılabilir.

Buhar tabloları, farklı basınçlardaki buharın özelliklerini listeler. Bunlar, buhar üzerinde yapılan gerçek testlerin sonuçlarıdır. Tablo 2.2.1, atmosfer basıncındaki - 0 bar g - kuru doygun buharın özelliklerini gösterir.

Tablo 2.2.1 Atmosfer basıncındaki doygun buharın özellikleri

Örnek 2.2.1

Atmosfer basıncında (0 bar g), su 100 °C’de kaynar ve 1 kg suyu 0 °C’den 100 °C doyma sıcaklığına ısıtmak için 419 kJ enerji gerekir. Bu nedenle 0 bar g ve 100 °C’deki suyun özgül entalpisi 419 kJ/kg’dır, buhar tablolarında gösterildiği gibi (Tablo 2.2.2’ye bakın).

Ancak, atmosfer basıncındaki buhar sınırlı pratik kullanıma sahiptir. Bunun nedeni, kendi basıncı altında bir buhar borusu boyunca kullanım noktasına taşınamamasıdır.

Not: Buharın basınç/hacim ilişkisi nedeniyle (basınç arttıkça hacim azalır), genellikle kazanda en az 7 bar g basıncında üretilir. Daha yüksek basınçlarda buhar üretimi, buhar dağıtım borularının makul bir boyutta tutulmasını sağlar. Buhar basıncı arttıkça, buharın yoğunluğu da artacaktır. Özgül hacim yoğunlukla ters orantılı olduğundan, özgül hacim basınçla birlikte azalacaktır. Şekil 2.2.2, özgül hacmin basınçla ilişkisini gösterir. Bu, özgül hacmin en büyük değişiminin daha düşük basınçlarda meydana geldiğini, basınç ölçeğinin üst ucunda ise özgül hacimde çok daha az değişiklik olduğunu vurgular.

Buhar tablolarından alınan Tablo 2.2.2’deki özet, özgül hacmi ve doygun buharla ilgili diğer verileri gösterir.

7 bar g’de suyun doyma sıcaklığı 170 °C’dir. Sıcaklığını 7 bar g’de doyma noktasına çıkarmak için, su atmosfer basıncında olsaydı gerekenden daha fazla ısı enerjisi gerekir. Tablo, 1 kg suyu 0 °C’den 170 °C doyma sıcaklığına çıkarmak için 721 kJ değeri verir. 7 bar g’deki suyun buhara dönüşmesi için gereken ısı enerjisi (buharlaşma entalpisi) aslında atmosfer basıncında gerekenden daha azdır. Bunun nedeni, buharlaşma özgül entalpisinin buhar basıncı arttıkça azalmasıdır. Ancak, özgül hacim de basınçla birlikte azaldığından, aynı hacimde transfer edilen ısı enerjisi miktarı aslında buhar basıncıyla birlikte artar.

Tablo 2.2.2 Doygun buhar tablosundan özet

O basınçtaki kaynama noktasına eşit sıcaklıktaki buhara kuru doygun buhar denir. Ancak, doygun buhar üretmek için tasarlanmış bir endüstriyel kazanda %100 kuru buhar üretmek nadiren mümkündür ve buhar genellikle su damlacıkları içerecektir.

Pratikte, türbülans ve sıçrama nedeniyle, buhar kabarcıkları su yüzeyini yardıkça, buhar alanı su damlacıkları ve buhar karışımı içerir. Herhangi bir gövde tipi kazanda üretilen buhar (Blok 3’e bakın), burada ısı sadece suya verilir ve buhar su yüzeyiyle temas halinde kalır, tipik olarak kütlece yaklaşık %5 su içerebilir. Buharın su içeriği kütlece %5 ise, buharın %95 kuru olduğu ve 0,95 kuruluk oranına sahip olduğu söylenir. Islak buharın gerçek buharlaşma entalpisi, kuruluk oranının (c) ve buhar tablolarındaki özgül entalpinin (hfg) çarpımıdır. Islak buhar, kuru doygun buhardan daha az kullanılabilir ısı enerjisine sahip olacaktır. Bu nedenle: Suyun özgül hacmi buhardan birkaç mertebe düşük olduğundan, ıslak buhardaki su damlacıkları ihmal edilebilir alan kaplayacaktır. Bu nedenle ıslak buharın özgül hacmi kuru buhardan az olacaktır: Burada vg kuru doygun buharın özgül hacmidir.

Örnek 2.2.2

0,94 kuruluk oranına sahip 6 bar g basıncındaki buhar, 6 bar g’deki kuru doygun buharın buharlaşma entalpisinin yalnızca %94’ünü içerecektir. Aşağıdaki hesaplamalar buhar tablolarındaki değerleri kullanır:

Buhar faz diyagramı Buhar tablolarında sağlanan veriler grafik formda da ifade edilebilir. Şekil 2.2.3, su ve buharın çeşitli durumlarının entalpisi ve sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösterir; bu faz diyagramı olarak bilinir.

Su 0 °C’den doyma sıcaklığına ısıtıldığında, durumu sıvı entalpisi olan hf’nin tamamını alana kadar doymuş su hattını takip eder (A - B).

Daha fazla ısı eklenmeye devam ederse, su faz değiştirir ve su/buhar karışımına dönüşür ve doyma sıcaklığında kalarak entalpide artmaya devam eder, hfg (B - C). Su/buhar karışımı kuruluk oranı arttıkça, durumu doymuş sıvı hattından doymuş buhar hattına doğru hareket eder. Bu nedenle bu iki durumun tam ortasındaki bir noktada kuruluk oranı (c) 0,5’tir. Benzer şekilde, doymuş buhar hattında buhar %100 kurudur. Buharlaşma entalpisinin tamamını aldığında, doymuş buhar hattına ulaşır. Bu noktadan sonra ısıtılmaya devam ederse, basınç sabit kalır ancak buharın sıcaklığı aşırı ısınma verildikçe yükselmeye başlar (C - D). Doygun su ve doygun buhar hatları, su/buhar karışımının bulunduğu bir bölgeyi çevreler - ıslak buhar. Doygun su hattının solundaki bölgede yalnızca su bulunur ve doymuş buhar hattının sağundaki bölgede yalnızca aşırı ısınık buhar bulunur. Doygun su ve doygun buhar hatlarının buluştuğu nokta kritik nokta olarak bilinir. Basınç kritik noktaya doğru arttıkça, buharlaşma entalpisi azalır ve kritik noktada sıfıra ulaşır. Bu, suyun kritik noktada doğrudan doygun buhara dönüştüğünü gösterir. Kritik noktanın üzerinde buhar bir gaz olarak düşünülebilir. Gaz halı, moleküllerin neredeyse sınırsız harekete sahip olduğu en dağınık durum ve basınç azaltıldıkça hacim sınırsız olarak artar. Kritik nokta, suyun var olabileceği en yüksek sıcaklıktır. Kritik noktanın üzerinde sabit sıcaklıkta herhangi bir sıkıştırma faz değişikliği üretmeyecektir. Ancak kritik noktanın altında sabit sıcaklıkta sıkıştırma, buhar aşırı ısınık bölgeden ıslak buhar bölgesine geçerken buharın sıvılaşmasıyla sonuçlanır. Kritik nokta buhar için 374.15 °C ve 221.2 bar a’da meydana gelir. Bu basıncın üzerinde buhar süperkritik olarak adlandırılır ve iyi tanımlanmış bir kaynama noktası geçerli değildir.

‘Ani buhar’ terimi geleneksel olarak kondens alıcı havalandırmalarından ve buhar kondenstoplarından açık uçlu kondens tahliye hatlarından çıkan buharı tanımlamak için kullanılır. Su ısı eklenmeden nasıl buhar oluşturabilir?

Ani buhar, yüksek basınçtaki su (ve düşük basınçlı sıvının doyma sıcaklığından daha yüksek sıcaklık) düşük bir basınca düşmesine izin verildiğinde meydana gelir. Tersine, yüksek basınçlı suyun sıcaklığı düşük basınçtaki doyma sıcaklığından düşükse, ani buhar oluşamaz. Bir kondenstopdan geçen kondens durumunda, akış üstü sıcaklık ani buhar oluşturmak için genellikle yeterince yüksektir. Şekil 2.2.4’e bakın.

5 bar g basıncında ve 159 °C doyma sıcaklığında bir kilogram kondensin bir kondenstopdan daha düşük bir basınç olan 0 bar g’ye geçtiğini ele alalım. 5 bar g’de doyma sıcaklığındaki bir kilogram kondensdeki enerji miktarı 671 kJ’dir. Termodinamiğin birinci yasasına uygun olarak, kondenstopun düşük basınç tarafındaki sıvıdaki enerji miktarı yüksek basınçtakiyle eşit olmalıdır ve enerji korunumu ilkesini oluşturur.

Sonuç olarak, bir kilogram düşük basınçlı sıvıdaki ısı da 671 kJ’dir. Ancak, 0 bar g’deki su yalnızca 419 kJ ısı tutabildiğinden, düşük basınç tarafında 671 - 419 = 252 kJ’lik bir ısı dengesizliği var gibi görünmektedir ve bu, su açısından fazla ısı olarak düşünülebilir. Bu fazla ısı, kondensin bir kısmını ani buhar olarak bilinen şeye kaynatır ve kaynama süreci ani buharlaşma olarak adlandırılır. Bu nedenle, kondenstopun yüksek basınç tarafında bir kilogram sıvı su olarak bulunan bir kilogram kondens, artık düşük basınç tarafında kısmen hem su hem de buhar olarak bulunur. Son basınçta (P2) üretilen ani buhar miktarı Denklem 2.2.5 kullanılarak belirlenebilir:

Örnek 2.2.3

Yüksek basınç kondens sıcaklığının düşük basınç doyma sıcaklığından yüksek olduğu durum. 5 bar g basıncında, doyma sıcaklığı olan 159 °C’de 671 kJ/kg ısı enerjisi içeren bir miktar suyu ele alalım. Basınç daha sonra atmosfer basıncına (0 bar g) düşürülürse, su yalnızca 100 °C’de var olabilir ve 419 kJ/kg ısı enerjisi içerebilir. 671 - 419 = 252 kJ/kg’lık bu ısı enerjisi farkı, daha sonra atmosfer basıncında ani buhar üretecektir.

Üretilen ani buharın oranı, fazla enerjinin son basınçtaki buharlaşma entalpisine oranı olarak düşünülebilir.

Örnek 2.2.4

Yüksek basınç kondens sıcaklığının düşük basınç doyma sıcaklığından düşük olduğu durum. ****Örnek 2.2.3’teki aynı koşulları, yüksek basınç kondens sıcaklığının 90 °C, yani atmosfer doyma sıcaklığı olan 100 °C’nin altında soğutulmuş olduğu durum hariç ele alın. Not: Kondensin doyma sıcaklığından bu kadar büyük bir sıcaklık düşüşü (bu durumda 159 °C’den 90 °C’ye) genellikle pratik değildir; sadece ani buharın bu tür koşullarda üretilmediğini göstermek için kullanılmaktadır. Bu durumda, alt doymuş su tablosu, 5 bar g ve 90 °C’deki bir kilogram kondensin sıvı entalpisinin 377 kJ olduğunu gösterecektir. Bu entalpi atmosfer basıncında bir kilogram doygun suyun entalpisinden (419 kJ) az olduğundan, ani buhar üretmek için mevcut fazla ısı yoktur. Kondens basitçe kondenstopdan geçer ve aynı sıcaklıkta ancak daha düşük basınçta (bu durumda atmosfer basıncı) sıvı durumda kalır. Şekil 2.2.5’e bakın.

90 °C’deki suyun buhar basıncı 0,7 bar mutlaktır. Düşük kondens basıncı bundan daha düşük olsaydı, ani buhar üretilirdi.

İki proses durumu arasındaki enerji ve kütle korunumu ilkeleri

Enerji ve kütle korunumu ilkeleri, ani buhar olgusunun farklı bir açıdan düşünülmesine olanak tanır.

Örnek 2.2.3’teki koşulları ele alalım. 5 bar g ve 159 °C’deki 1 kg kondens, atmosfer basıncında 0,112 kg ani buhar üretir. Bu şematik olarak Şekil 2.2.6’da gösterilebilir. Ani buhar ve kondensin toplam kütlesi 1 kg olarak kalır.

Enerji korunumu ilkesi, düşük basınç durumundaki toplam enerjinin yüksek basınç durumundaki toplam enerjiye eşit olması gerektiğini belirtir. Bu nedenle, ani buhardaki ve kondensdeki ısı miktarı, başlangıçtaki 671 kJ kondensdeki ısıya eşit olmalıdır.

Buhar tabloları aşağıdaki bilgileri verir:

Bu nedenle, buhar tablolarına göre, düşük basınç durumunda beklenen entalpi, yüksek basınç durumundakiyle aynıdır ve böylece enerji korunumu ilkesi kanıtlanır.