در علم ترمودینامیک، زمانی که یک سیال مانند آب از نقطه بحرانی (Critical Point) عبور می‌کند، به شرایطی وارد می‌شود که تفاوت بین مایع و بخار از بین می‌رود. این حالت را وضعیت فوق بحرانی (Supercritical State) می‌نامند.
برای آب، این نقطه در حدود:
- فشار بحرانی: 22.064 MPa (220.64 Bar)
- دمای بحرانی: 374.14 درجه سانتی‌گراد
در این شرایط، آب به بخاری تبدیل می‌شود که نه کاملاً مایع است و نه گاز، بلکه ترکیبی از ویژگی‌های هر دو را دارد. به این بخار، بخار فوق بحرانی (Supercritical Steam) گفته می‌شود. بخار فوق بحرانی یک نقطه عطف در طراحی نیروگاه‌های حرارتی است چرا که بازدهی حرارتی تا 45 درصد و بیشتر را فراهم می‌کنند، در حالی که بویلرهای سنتی بین 30 تا 38 درصد بازدهی دارند.
در بخار فوق بحرانی، فاز مایع و گاز وجود ندارد؛ بنابراین جوش نمی‌زند. در بویلرهای فوق بحرانی، از لوله‌های جریان پیوسته (Once-Through) استفاده می‌شود. خطر خزش و ترک حرارتی در این سیستم بالا است، پس انتخاب متریال صحیح بسیار حیاتی است.
تفاوت بخار اشباع، فوق داغ و فوق بحرانی
| نوع بخار | دما (°C) | فشار (Bar) | ویژگی‌ها |
| بخار اشباع | ~100–350 | 1–100 | حاوی قطرات مایع، مناسب برای بویلرهای ساده |
| بخار فوق داغ | 350–600 | 100–180 | بدون رطوبت، مناسب برای توربین‌ها |
| بخار فوق بحرانی | >374.1 | >221 | چگالی بالا، انتقال حرارت قوی، راندمان بالا |
مزایای استفاده از بخار فوق بحرانی در صنعت
- افزایش راندمان حرارتی نیروگاه‌ها
- کاهش مصرف سوخت
- کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای
- طراحی فشرده‌تر تجهیزات
- بهبود انتقال حرارت و دینامیک سیال
کاربرد بخار فوق بحرانی در صنعت
در طراحی دیگ‌های بخار فوق بحرانی، به دلیل فشار و دمای بالا، انتخاب مواد، طراحی مکانیکی و کنترل سیستم‌ها بسیار حساس‌تر از بویلرهای استاندارد است.
- نیروگاه‌های سیکل حرارتی پیشرفته (Ultra-supercritical Plants)
- صنایع پتروشیمی
- پروژه‌های نیروگاهی با راندمان بالا
- دیگ‌های بخار صنعتی سفارشی برای کاربردهای خاص
چالش‌های فنی در ساخت بویلرهای فوق بحرانی
- انتخاب متریال مقاوم در برابر خزش (Creep): مانند فولادهای کرومی و آلیاژهای خاص (T91, P92)
- طراحی دقیق سطوح انتقال حرارت
- کنترل و اتوماسیون پیشرفته (SCADA و DCS)
- نیاز به عملیات پیش‌گرمایش و نرم‌کاری حرارتی در راه‌اندازی
دابو صنعت؛ پیشرو در طراحی بویلرهای صنعتی پیشرفته
دابو صنعت با بیش از دو دهه تجربه در طراحی، تولید و نصب دیگ‌های بخار صنعتی، توانایی تولید و سفارشی‌سازی بویلرهای مناسب برای کاربردهای فوق بحرانی را دارد. تیم مهندسی ما آماده است تا بر اساس نیاز پروژه، بهترین راهکارهای بخار در فشار و دمای بالا را ارائه دهد.
شرایط ترمودینامیکی بحرانی برای آب
| پارامتر | مقدار |
| فشار بحرانی (Pc) | 22.064 MPa (220.64 Bar) |
| دمای بحرانی (Tc) | 374.14°C |
| چگالی در نقطه بحرانی | ~322 kg/m³ |
| انرژی داخلی (تقریبی) | ~2100 kJ/kg |
| آنتالپی (تقریبی) | ~2100–2800 kJ/kg |
جدول نمونه خواص بخار فوق بحرانی
| دما (°C) | فشار (MPa) | آنتالپی (kJ/kg) | آنتروپی (kJ/kg.K) | چگالی (kg/m³) |
| 375 | 23.0 | 2200 | 5.0 | 315 |
| 400 | 25.0 | 2500 | 5.6 | 280 |
| 450 | 30.0 | 2800 | 6.1 | 260 |
| 500 | 35.0 | 3100 | 6.4 | 240 |
| 600 | 35.0 | 3400 | 6.9 | 220 |
ملاحظات طراحی برای تجهیزات بخار فوق بحرانی
| مؤلفه | نیاز طراحی |
| لوله‌ها | فولاد آلیاژی با مقاومت بالا در دمای 600+°C (T91, P92) |
| درام بخار | معمولاً حذف می‌شود در طراحی‌های Once-Through |
| کنترلر فشار | نیاز به سیستم‌های PLC / DCS پیشرفته |
| مبدل حرارتی | طراحی خاص به دلیل چگالی بالا و تغییر سریع دما |
جمع‌بندی
بخار فوق بحرانی، آینده‌ی صنعت بخار است. این تکنولوژی نه تنها راندمان نیروگاه‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه گامی مهم در راستای صرفه‌جویی انرژی و حفظ محیط زیست محسوب می‌شود. شرکت‌هایی مانند دابو صنعت با تسلط بر طراحی و ساخت بویلرهای صنعتی پیشرفته، می‌توانند سهم بزرگی در توسعه فناوری‌های انرژی نوین ایفا کنند.
سایر مقالات
برخی محصولات دابو صنعت
