امروزه از دیگ بخار (بویلر بخار) در صنایع غذایی، سیستم های گرمایشی و نیروگاه ها استفاده میگردد و آنچه مشخص میباشد این است که استفاده از دیگ بخار از اوایل قرن هجدهم میلادی با پیدایش ماشین بخار در صنعت رایج گردیده است.
دیگ اولیه از ظرف سر بسته ای از ورق های آهنی که بر روی هم برگردانده شده و پرچ شده بودند در اشکال کروی ساده تا انواعی پیچیده تر نظیر دیگ های واگن وات که شبیه واگن سر پوشیدهای بود ساخته میشدند.
این ظروف بر روی دیوارهای از آجر بر روی آتش قرار داشتند و برای رساندن حرارت به نقاطی از ظرف که مقابل آتش نبودند از کانال های آجری استفاده می شد.
این دیگ ها را بیرون سوز مینامند و بزرگترین اشکال آن ها ایجاد رسوب و لجن در پایین ترین نقطه یعنی بالای سطح داغ آتش بود که سبب جلوگیری تماس فلز و آب میشد.
که نتیجه آن بالا رفتن درجه حرارت فلز( حدود ۵۰۰ درجه سلسیوس) و تغییر شکل و در نهایت سوختن آن بود و هر چند فشار کاری دیگ های آن زمان در حدود فشار اتمسفر بود ولیکن این مشکل باعث خراب شدن و یا مواردی ترکیدن دیگ میشد.
با افزایش تقاضا برای تولید دیگ های با فشار بالاتر، ساخت دیگ هایی که درون سوز بودند آغاز شد که از استوانه های فلزی ساخته میشدند و کوره نیز به شکل استوانه در درون مخزن استوانهای قرار میگرفت و محصولات احتراق که در آن زمان بیشتر به صورت جامد (زغال سنگ) بودند از روی صفحهای مشبک به درون کوره انتقال مییافتند و درون کوره بخار میسوختند.
در این دیگ بخار اولیه برای بهره برداری از دمای گازهای خروجی دودکش، از طریق انتقال آنها از کوره به کانال های تعبیه شده در زیر مخزن استوانه ای و در نهایت هدایت به سمت دودکش خروجی دیگ بخار اقدام به بالا بردن راندمان مینمودند.
ولیکن با توجه به اینکه فلز مخزن زیر کوره که به دلیل جمع شدن گل و لای حاصل از آب و کاهش تماس آن با آب مخزن دیگ بخار دارای دمای بیشتری می شد، همان مشکل تغییر خاصیت فلز تا حدودی وجود داشت هرچند دمای گازهای کانال خیلی کمتر از قبل بود.
در ادامه فرآیند پیشرفت تولید دیگ بخار صنعتی، دیگ های معروف به لوله آتشی عقب خشک (Fire Tube & Dry Back) طراحی و ساخته شدند که در این دیگ ها با قرار دادن لوله های متعدد داخل مخزن دیگ بخار، گازهای داغ انتهای کوره را از داخل آنها عبور داده و در نهایت از قسمت دودکش دیگ بخار خارج میشدند.
ولی از مشکلات این دیگ ها وجود سطح عایق کاری شده در انتهای کوره بود که علاوه بر اتلاف انرژی حرارتی، حین کار و یا انتقال در اثر لرزش و ضربه های ایجاد شده در کوره باعث صدمه دیدن عایق کاری و در نتیجه سوختن فلز انتهای کوره میگردید که این مشکل در نسل بعدی دیگ بخار صنعتی با قرار دادن انتهای کوره در داخل آب تا حدود زیادی مرتفع گردید و سطح حرارتی دیگ افزایش یافت.
در این طرح که به نام طرح لوله آتشی و عقب تر (FierTube & WetBack) معروف میباشد به طور معمول بسته به ظرفیت دیگ بخار از لحاظ انرژی حرارتی ورودی به دو صورت: دو پاس و سه پاس، طراحی و ساخته میشوند راندمان حرارتی در دیگ های جدید با اعمال سطح حرارتی قابل قبول و عایق کاری مناسب به حدود ۸۵% قابل دستیابی میباشد.
گامی هر چند کوتاه به دنبال دیگ بخار (بویلر) کورنیش تک کوره ای برداشته شد و آن دیگ بخار بزرگتر دو کوره ای لانکاشیر بود که تحت امتیاز FAIRBAIRN و HETHERINGTON در سال ۱۸۴۴ به ثبت رسید (شکل ۱ – ۳) که تا اوایل دهه ۱۹۵۰ میدان دار دیگ های صنعتی بود.
احتمالا بیش از هزار عدد از این بویلر بخار هنوز در انگلستان کار میکنند، گرچه امروزه آنها را با نوع پرصرفه تر و چند لوله ای به نام ” ECONOMICS” جایگزین مینمایند.
باید در نظر داشت که هر چه سطوح در معرض حرارت دیگ بخار زیادتر باشد مقدار حرارت جذب شده از مصرف مقدار معینی سوخت، یعنی بازده بازیافت حرارتی، بیشتر خواهد بود. برای این منظور تعداد بیشماری لوله های باریک که از آن ها گازهای گرم جریان دارد و در داخل اب قرار دارند عامل ازدیاد سطوح گرم هستند و در عین حال نیازی به کانال گازهای گرم در پایین دیگ بخار و دو طرف آن نخواهد بود.
این نوع دیگ ها یکپارچه میباشند. مطابق بخش ۱۲ – ۴ – ۱ هر چه لوله ها بلندتر و باریکتر باشند، سطوح انتقال حرارت کارایی بیشتری خواهند داشت. این دیگ های چند لولهای برای ظرفیت معینی، کم حجم تر از نمونه های پیشین خود هستند و نیازی به آجرکاری ندارند. این دیگها در کشتی ها و لکوموتیوها که فضا نقش تعیین کننده دارد، کاربرد زیادی دارند.
دیگ بخار در کشتی
تعدادی از دیگ های اولیه کشتیها جهت استفاده بیشتر از فضا، دارای سطح مقطع چهار گوش بودند که بر اثر پارگی گوشه ها، منجر به انفجارات شدید این دیگ ها گردید.
ظروف تحت فشار داخلی، تمایل دارند که به حالت کروی در ایند و بنابراین مکان های غیر کروی ظروف، تحت تنش شدید قرار دارند. نزدیک ترین شکل عملی و ممکن دیگ بخار، به خصوص اگر انتهای دیگ ها گنبدی شکل باشد، استوانه است. طرحی از دیگ استوانهای در اوایل سال های ۱۸۰۰ به ثبت رسید که هدف آن تحمل فشار ۲۰۰ bar بود.
در این طرح پیشنهاد شده بود که چنین استوانه ای باید از جنس مس و با ضخامت ۴۶ mm ساخته شود، ولی سابقه ای از ساخت این نوع دیگ در دست نیست. همچنین قرار بود این دیگ برون سوز باشد که به نوبه خود موجب مشکلاتی میگردید، ولی شکل کروی دیگ، برون سوز بودن دیگ را توجیه نمیکند.
امروزه نیز با داشتن آلیاژهای فولادی مختلف، در سطح جهانی از ساخت دیگ لوله – آتشی با ضخامت بیش از ۲۲mm که در معرض آتش یا گازهای داغ باشد، خودداری میشود. این امر به منظور جلوگیری از تنش های حرارتی فوق العاده در فلز میباشد.
سرانجام همه دیگ های کشتی ها را استوانه ای ساختند ولی به علت محدودیت وزن و اندازه، از آجر کاری و ساخت کانال های جانبی خودداری گردید و از دیگ های چند لوله ای و کوره های درون سوز- تا چهار کوره – استفاده شد.
گازهای داغ کوره ها وارد محفظه های جداگانه ای با دیواره های لوله – آبی در عقب کوره میگردید و از آنجا با یک چرخش ۱۸۰ º وارد یک سری لوله های با قطر حدود ۷۵ mm میشد. بعد از عبور از داخل این لوله ها، گازها وارد دودکش قیفی شکل میشدند. این دیگ بخار را دیگ های بخار دو کاناله مینامیدند.
دیگ اسکاچ
بعدها، دیگ های سه کاناله ساخته شد که در آن، گازها از طریق یک سری لوله های دیگر به قسمت عقب کوره بر میگشت. این دیگ ها را دیگ های اسکاچ دریایی مینامیدند که از سال های ۱۸۵۰ تا پیدایش موتورهای دیزل و جایگزینی آنها کاربرد داشتند.
به تدریج دیگ های اسکاچ را در خشکی به کار بردند و چون محدودیت جا نبود از آجر کاری نیز استفاده شد و آنها را بلندتر ساختند. این دیگ ها را در انگلستان به نام اقتصادی و در آمریکا هنوز به نام اسکاچ میشناسند.
این دیگ ها به علت ارزانتر، با صرفه تر و کوچکتر بودن از دیگ های لانکاشیر تا اوایل سال های ۱۹۳۰ با آن به رقابت پرداختند. دیگ های اسکاچ فوق ابتدا داری قسمت های عقبی عایق کاری شده بودند، ولی بعدها این دیواره ها را با دیواره های لوله – آبی پوشاندند.
شکل های ۱ – ۴ / الف و ۱-۴ / ب به ترتیب دیگ های اقتصادی دو کاناله با محفظه های عقبی عایقکاری شده که به نام دیگ های DRY-BACK معروفند را نشان میدهند.
دیگ های سه کاناله اقتصادی دارای مشکل عمده ناشی از استفاده صفحه لوله مشترکی جهت کانل دوم و سوم بودند. گازهای ورودی به کانال دوم دارای دمای ۱۰۰۰ º c بود که پس از خروج از کانال سوم تا ۲۵۰ º c تقلیل مییافت.
بنابراین، صفحه لوله در معرض دو اختلاف دمای شدید قرار داشت که باعث تنش و در نهایت نشتی انتهای لوله ها میشد.
تاریخچه دیگ بخار (بویلر)
در ۱۹۳۵ شرکت لینکلن در Ruston و Hornsby ساخت دیگ سه معبره جدیدی را بر اساس دیگ های سه کاناله دریایی اسکاچ به ثبت رساند.
طرح جدید متشکل صفحه لوله های مشترک را که تحت دو اختلاف دمای زیاد قرار داشتند از طریق ایجاد صفحه لوله جداگانه برای هر یک از کانال ها، برطرف ساخت. (شکل ۱ – ۵)
دیواره های محفظه عقبی کوره با دیواره لوله – آبی مجهز شد و دیواره جلویی، خروجی گازهای کوره و ورودی گازها به سری لوله های معبر دوم را تشکیل می داد.
این دیواره لوله آبی در انتهای کوره دیگ بخار که به نام WET_BACK نیز نامیده می شد این مزیت را داشت که سطوح عایق کاری اتلاف حرارت را تبدیل به سطوح مفید و جاذب حرارت نمود.
گازهای کوره پس از عبور از جلوی دیگ بخار، در محفظه دود مقابل دیگ بخار، تغییر جهت داده و از طریق سری لوله های کانال سوم به قسمت عقبی دیگ وارد می شود. این سری لوله به صفحه لوله جداگانه ای در عقب دیگ بخار، متصل می گردند.
صفحه لوله جلویی دیگ بخار، سری لوله های کانال دوم و ورودی های کانال سوم را در خود جای داده که بدین طریق مشکل اختلاف دما وجود ندارد زیرا دمای گازهای خروجی کانال دوم و ورودی کانل سوم تقریبا یکسان هستند. این ساختار جدید دیگ بخار امروزه در همه جا رواج دارد.
دیگ بخار پکیج
پیشرفت عمده دیگری نیز در آمریکا صورت گرفت. در زمان جنگ جهانی دوم نیاز شدیدی به تامین بخار در تاسیسات جبهه ها احساس گردید و ضرورت داشت که نصب و راه اندازی این دیگ ها در کمترین زمان انجام شود.
قبل از این، پوسته دیگ بخار با قطعات آتشکاری، تلمبه ها، شیرها و دمنده های تولیدکنندگان مختلف، در محل نصب، تجهیز می گردید ولی از این زمان به بعد دیگ بخار با همه این قطعات به صورت کامل و آماده به کار نصب می گردید. این نوع دیگ بخار را به نام پکیج یا یک پارچه می نامند و شامل دیگ با همه این قطعات به صورت کامل و آماده به کار نصب می گردید.
این نوع دیگ (بویلر) بخار را به نام پکیج یا یک پارچه می نامند و شامل دیگ بخار اسکاچ سه معبره و dry-back است که بر روی یک پایه نصب شده است. پس از جنگ، این نوع دیگ های یکپارچه عمومیت یافتند و جزء دیگ های با ظرفیت بسیار بالای لوله – آتشی، سایر دیگ ها را از این نوع ساختند.
مطابق شکل ۱-۶ این دیگ ها را به صورت کامل با همه قطعات کمکی، پس از مونتاژ و آزمایش در کارخانه، آماده به کار حمل می نمایند. این دیگ ها عموماً سه کاناله و از نوع wet-back می باشند.
دیگ شعله معکوس
دیگ های کوچکتر، مخصوص دیگ های آب گرم کن را از نوع دیگ شعله معکوس می سازند. کوره این دیگها فقط در یک طرف باز است و شعله مشعل در مرکز کوره به سمت عقب کوره که بسته است میتابد. گازهای حاصل از احتراق به صورت متحدالمرکز (concentric) در اطراف شعله به عقب برمی گردند(شکل ۱-۷). تنها کانال لوله های این کوره نیز به طور متحدالمرکز در اطراف کوره قرار گرفته است.
چون این دیگ فقط یک کانال دارد، وسایلی جهت تشدید اغتشاش گازهای گرم در نظر گرفته شده که باعث افزایش انتقال حرارت و کاهش دمای گازهای خروجی می شوند.
ناحیه انتهایی کوره عملاً به علت بسته بودن آن و بالا بودن فشار، از نظر جریان گاز ها راکد و غیر فعال است. قابل ذکر است که طراحی مشعل به نحوی است که ایجاد شعله ای بلند، باریک و نفوذی می نماید. شعله ای کوتاه و چتری باعث کشیده شدن توسط گازهای گرم خروجی و ادامه احتراق در لوله های دیگ بخار است که منجر به افزایش دمای فلز در این نواحی می گردد.
شکل ۱-۸ مقایسه ای از اندازه های دیگ بخار لانکاشیر و دیگ بخار مدرن امروزی را برای ظرفیت یکسان ۳.۴ mw نشان میدهد.
بازده دیگ بخار لانکاشیر بر اساس ارزش گرمایی ناخالص سوخت و در شرایط مطلوب ۶۵% است، حال آن که دیگ امروزی، با همان شرایط، ۸۰% بازدهی دارد. نتیجه این امر نشان دهنده حدود ۲۰% صرفه جویی در سوخت است.