توربولاتور در ديگ های بخار

دیگ آب داغ و بویلر بخار لوله آتشی (فایرتیوب)  یكی از منابع اصلی تولید حرارت در صنایع و ساختمان ها می باشند. راندمان دیگ های لوله آتشی بسته به طراحی و مشعل مورد استفاده بین 65 تا 85 درصد است.

در واقع 15 تا 35 درصد انرژی وارد شده به بویلر به هدر می رود. راهكارهای مختلفی جهت بازیافت حرارت از دودكش پیشنهاد شده اند كه تاكنون به دلایل اقتصادی مورد اقبال عمومی قرار نگرفته اند.

توربولاتور وسیله ای برای افزایش راندمان

روش های معمول افزایش راندمان مبتنی بر بازیابی انرژی خروجی همراه دود و استفاده از آن جهت پیش گرم كردن آب یا هوای ورودی به بویلر است.

در استفاده از توربولاتور هدف اصلی دستیابی به روشی است كه میزان انتقال حرارت از دود به آب داخل بویلر افزایش یافته، دمای خروجی دود كاهش یافته، و در نتیجه راندمان بویلر افزایش یابد.

استفاده از توربولاتور روش مقرون به صرفه تری در افزایش راندمان مجموعه بخار نسبت به استفاده از اكونومایزر و یا پیش گرمكن هوا می باشد.

اهمیت دمای دودکش دیگ بخار

تاریخچه

پیشینه تاریخی استفاده از توربولاتور در بویلرها به سال 1896 در انگلستان باز می گردد. در این سال در تحقیقی نشان داده شد كه با استفاده از توربولاتور نوار پیچانده (Twisted tape) می توان مصرف زغال سنگ را در بویلر لوله آتشی 2/18 درصد كاهش داد.

استفاده از توربولاتور از اوایل قرن بیستم در انگلستان معمول گردید. هم اكنون در بسیاری از كشورهای دنیا توربولاتور بعنوان بخشی جدایی ناپذیر از بویلر در آمده است و سازندگان بویلر از همان ابتدا بویلر را مجهز به توربولاتور به مشتریان خود تحویل می دهند. وزارت انرژی آمریكا(DOE) نیز در كتاب خود با نام:

improving steam system performance:A Sourcebook for Industry

كه مرجع بهره وری سوخت در آمریكا محسوب می شود، تاكید بر استفاده از توربولاتور در پاس 2 و 3 بویلرهای لوله آتشی دارد.

افزایش راندمان بویلر – کاهش مصرف انرژی در دیگ بخار

اصول كاركرد توربولاتور

در بویلرهای فایرتیوب، سوخت پس از احتراق در كوره، وارد لوله های دود (smoke tubes) می گردد. محصولات احتراق در عبور از این لوله ها، حرارت خود را به آب بیرون لوله ها منتقل می كنند و سرانجام از طریق دودكش خارج می شوند. بیش از نیمی از انتقال حرارت بویلر از طریق لوله های دود صورت می پذیرد.

جریان دود در لوله های دود و یك جریان توسعه یافته با پروفیل سرعت مستقیم است كه لایه مرزی یاد شده كه سرعت خیلی كمتری نسبت به جریان اصلی دارد به مثابه یك عایق حرارتی بین جداره لوله و حجم اصلی جریان قرار می گیرد و میزان انتقال حرارت را كاهش می دهد. همچنین دوده وارد لوله می شوند با قرار گرفتن در این لایه كم سرعت، فرصت نشستن بر روی جداره لوله را پیدا می كنند.

توربولاتور وسیله مكانیكی ثابتی است كه در جریان سیال قرار گرفته و با ایجاد اغتشاش در جریان و از بین بردن لایه مرزی، ضریب انتقال حرارت را افزایش داده و از رسوب دوده بر روی سطح داخلی لوله جلوگیری می كند.

همچنین توربولاتور مسیر عبور جریان دود در لوله را طولانی تر نموده، دوده مدت زمان بیشتری در تماس با سطح تبادل حرارتی قرار می گیرد و در نتیجه میزان انتقال حرارت افزایش می یابد.

انواع توربولاتور

انواع مختلفی از توربولاتورهای داخل لوله ای برای بویلرها ارائه شده اند عبارتند از :

• نوار پیچانده (Twisted tape)

معمول ترین نوع توربولاتور می باشد ضریب انتقال حرارت داخل لوله را تا 3/5 برابر افزایش می دهد و در عین حال افت فشار اضافی چندانی به سیستم تحمیل نمی كند (شكل1).

• نوارخمیده (Bent strip)

افزایش ضریب انتقال حرارت تا 7 برابر گزارش شده است ولی به دلیل افت فشار بالا(تا حد 300 درصد افت فشار لوله خالی ) موارد استفاده از آن محدود است (شكل2).

• نوار چین دار (Corrugated strip)

افزایش ضریب انتقال حرارت تا 5 برابر افت فشار بالا (تا حد 300 درصد افت فشار لوله خالی) استفاده از آن نیاز به دقت و محاسبات خاص و در صورت امكان تعویض فن دمنده مشعل دارد (شكل 3).

• فنری(Helix wire)

افت فشار كم، سهولت تولید همراه با 2 برابر كردن ضریب انتقال حرارت این نوع توربولاتور را در رتبه دوم مصرف پس از نوار پیچانده قرار داده است (شكل 4).

جنس توربولاتور با توجه به محل قرارگیری آن (پاس2 یا 3) و دمای كاركرد از استنلس استیل نسوز و یا آلومینیوم آلیاژی مخصوص می باشد. در ادامه این مقاله توجه خود را به معمول ترین نوع توربولاتور یعنی نوار پیچانده معطوف می نمائیم.

طراحی توربولاتور

شكل 5 نحوه قرارگیری توربولاتور در لوله و پارامترهای مهم آن را نشان می دهد كه در آن d_o قطر خارجی لوله، H گام پیچش 180درجه ای نوار و δ ضخامت نوار فلزی است.

ضخامت نوار فلزی بین 1/5 تا 3 میلیمتر می باشد. گام پیچش H مهم ترین پارامتر در طراحی توربولاتور است. نسبت گام به قطر لوله را نسبت پیچش نامیده و با Y مشخص می نمایند. هرچه قدر Y كوچكتر باشد، تعداد پیچ ها در واحد طول بیشتر بوده و لاجرم میزان اغتشاش و طول مسیر بیشتر شده و میزان انتقال حرارت بیشتر خواهد بود. نكته محدود كننده در كاهش عدد Y افت فشار مجاز مسیر دود می باشد.

با قرار گرفتن توربولاتور در لوله های دود، افت فشاری در مسیر دود ایجاد می گردد كه چنانچه اختلاف فشار ایجاد شده توسط فن مشعل و دودكش نتواند بر آن فائق آید، دود نمی تواند از بویلر خارج شده، مشعل پس زده و خاموش می شود.

لذا با افزایش Y دمای خروجی دود از دودكش افزایش و افت فشار مسیر كاهش می یابد. برای بدست آوردن نقطه بهینه طراحی، ضریبی به نام beh تعریف می گردد كه حاصل تقسیم میزان افت فشار بر دمای خروجی دودكش است. این ضریب را به ازای Y های مختلف محاسبه می نماییم.

این محاسبه برای بویلرهای مختلف انجام گرفت و الگوی مشابهی در تمامی آنها تكرار شد به این معنی كه با افزایش Y ابتدا beh كاهش می یابد و پس از عبور از یك نقطه مینیمم، حالت صعودی به خود می گیرد (شكل 6).

ابعاد بهینه توربولاتور

نقطه مینیمم منحنی، ابعاد بهینه توربولاتور است كه در آن میزان افت فشار نسبت به افزایش راندمان حداقل است. البته ممكن است در نقطه بهینه طراحی هم مجموعه فن مشعل و دودكش توان غلبه بر افت فشار ایجاد شده را نداشته باشند كه در این صورت باید Y را افزایش داده و لاجرم از نقطه بهینه دور شد.

Y بهینه هر بویلر با دیگری متفاوت است ولی محدوده كلی آن بین 2/6 تا 3/4 می باشد. Y عملی كه بستگی به افت فشار مجاز دارد عددی بین 3 تا 5 است.

نتیجه گیری

استفاده از توربولاتور در كلیه دیگ های فایرتیوب توصیه می شود ولی انتخاب نوع ونیز طراحی آن با ملاحظات فنی دقیق همراه است كه باید توسط كارشناسان خبره انجام پذیرد.

چنانچه از ابتدا طراحی بویلر مبتنی بر استفاده از توربولاتور صورت گیرد. نتیجه بدست آمده بسیار بهتر خواهد بود توربولاتور را می توان برای بویلرهایی با سوخت گاز و گازوئیل به كاربرد ولی استفاده از آن در بویلرهای مازوت سوز توصیه نمی شود.

محاسبات راندمان بویلر و دیگ بخار

! کپی ممنوع * استفاده از مطالب این سایت فقط با ذكر نام منبع بلامانع می باشد * کپی ممنوع !