محاسبات راندمان بویلر و دیگ بخار

محاسبات راندمان بویلر و دیگ – بخش اول-۱۴۱-۱

m1-1.Mboiler.com

محاسبات راندمان بویلر

شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، دستیابی به راندمان مطلوب مستلزم وجود استاندارد و نظامی کارآمد برای اعمال این ضوابط و نظام صحیحی برای ترویج و فراگیر نمودن استاندارد و کنترل کیفی تولید بویلر و نظام توسعه آموزش در بخش بهره برداری است.

راندمان بویلر که یکی از پارامترهای شاخص جهت ارزیابی عملکرد بویلر است، تاثیر قابل توجهی بر روی هزینه های مصرف سوخت دستگاه دارد.

خاطر نشان می سازد که در حال حاضر در سطح کشور هیچگونه استانداردی جهت الزام انجام آزمایشات تعیین راندمان های بویلر از سوی مراجع قانونی وجود ندارد و راندمان های ادعا شده بدون انجام محاسبات واقعی و آزمایشات می باشد.

لذا کارفرمایان باید از سازندگان بویلر مدارک مربوط به داده های تست و نحوه محاسبات راندمان بویلر را درخواست کنند تا ضمن بررسی موارد مذکور صحت مشخصات فنی تجهیزات را نیز کنترل نمایند.

این مقاله به منظور شفاف سازی و رفع ابهامات موجود در مفاهیم و تعاریف مورد استفاده در تعیین راندمان بویلرها ارائه می گردد. در این مبحث، اصول پایه و پارامترهای موثر در محاسبه راندمان بویلر ارائه می گردد.

 

اصول احتراق

عناصر اصلی سوخت شامل کربن و هیدروژن می باشد. هیدروژن به صورت غیر ترکیبی و آزاد نیز در گاز طبیعی یافت می شود. همراه با این مواد، مقدار کمی گوگرد و نیتروژن نیز وجود دارند.

احتراق سوخت، طی یک پروسه اکسیداسیون که همراه با آزاد شدن انرژی حرارتی است صورت می گیرد. واکنش بین اکسیژن موجود در هوا با کربن، هیدروژن و در صورت وجود گوگرد رخ می دهد.

این واکنش در شرایطی رخ می دهد که دما نسبتا بالاست؛ این دما که دمای اشتعال نامیده می شود بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی گراد و بسته به نوع سوخت متغیر است.

اگر هوا به میزان کافی و مناسب تامین شود، کربن به طور کامل می سوزد و به دی اکسید کربن تبدیل می شود. هنگامی که به علت کمبود هوا پروسه احتراق بصورت کامل انجام نمی شود، گاز مونوکسید کربن تولید می گردد.

هیدروژن نیز می سوزد و تولید بخار آب می نماید. در صورت وجود گوگرد، این عنصر نیز در احتراق تولید دی اکسید گوگرد (So2) می کند و ممکن است در ادامه پروسه و ترکیب با ملکول اکسیژن دیگر، تری اکسید گوگرد (So3) تولید شود.

هوا بطور متوسط از لحاظ وزنی شامل ۲۳/۲۱% اکسیژن و ۷۵/۸۱% نیتروژن و مقادیر جزئی آرگون، هلیم و کریپتون می باشد. با در نظر گرفتن تخمینی جزئی، نسبت گازهای متشکله هوا به صورت ۲۳/۲% اکسیژن و ۷۶/۸ % گازهای غیر قابل احتراق است.

از لحاظ حجمی نیز نسبت گازهای تشکیل دهنده هوا به صورت ۲۰/۹% اکسیژن و ۷۹/۱% گازهای غیر قابل احتراق می باشد. عناصر متفاوت ذکر شده به نسبت وزن های ملکولی هر یک از عناصر بشرح ذیل با اکسیژن ترکیب می شوند:

اکسیژن…………………………….O2=32

کربن………………………………..C=12

هیدروژن…………………………..H2=2

نیتروژن…………….……………….N2=28

گوگرد……………………………..S=32

معادلات بنیادی احتراق در جدول ۱ نشان داده شده اند.

m1-2.Mboiler.com

تعاریف راندمان

راندمان، شاخص اندازه گیری عملکرد اقتصادی چرخه بقای تجهیزات می باشد. برای راندمان بویلر سه تعریف به شرح ذیل وجود دارد :

الف-راندمان احتراق

ب-راندمان انتقال حرارت

ج-راندمان حرارتی واقعی بویلر

راندمان بویلر چیست؟

راندمان احتراق

راندمان احتراق مشخصه توانایی مشعل جهت احتراق کامل سوخت است که برابر نسبت تفاضل انرژی ورودی و تلفات دودکش به انرژی ورودی می باشد. عموما محدوده راندمان احتراق بین ۷۵% تا ۸۶% گزارش شده است.

مقدار سوختی که مورد احتراق قرار نمی گیرد و همچنین میزان هوای اضافی در راندمان احتراق تاثیر گذار است. مشعل هایی به راندمان بالا دست می یابند که مقدار سوخت مورد احتراق قرار نگرفته و هم چنین میزان هوای اضافی به حداقل ممکن رسیده باشد.

لذا به منظور اطمینان از احتراق کامل سوخت باید هوا به میزان مناسب تامین شود. بدیهی است ورود هوای اضافی منجر به سرد شدن شعله و نهایتا کاهش راندمان بویلر می گردد.

به منظور حصول اطمینان از واکنش موثر اکسیژن با مواد قابل اشتعال سوخت، هوای مورد نیاز برای احتراق باید در زمان مناسب به سیستم وارد شود.

گازهای حاصله نیز باید در دمای اشتعال و یا دمایی بالاتر باقی بمانند تا زمانی که پروسه احتراق کامل شود. حداکثر دمای گاز حاصل می شود. اختلاط گازها و سرعت انبساط آنها جهت احتراق کامل سوخت بسیار موثر است.

راندمان انتقال حرارت

راندمان انتقال حرارت نشانگر کارآمد بودن مبدل حرارتی بویلر می باشد که توانایی مبدل بویلر جهت انتقال حرارت منحصرا کارآمد بودن مبدل حرارتی بویلر را ارزیابی می نماید، تلفات حرارتی تابشی و کنوکسیونی ناشی از بدنه بویلر و متعلقات مربوطه را در نظر نمی گیرد، از این رو شاخص صحیحی از راندمان واقعی بویلر نبوده و نمی تواند در ارزیابی های اقتصادی مورد استناد قرار گیرد.

خاطر نشان می سازد جهت دستیابی به راندمان بالا، باید انتقال حرارت از شعله مشعل و گازهای حاصل از احتراق تا حد امکان به حداکثر برسد.

در صورتی که دوده بر سطوح حرارتی بویلر بنشیند و یا رسوب املاح و میکروارگانیزم ها در آب بویلر ایجاد گردد، پروسه انتقال حرارت و بالطبع راندمان بویلر کاهش می یابد.

افزایش راندمان بویلر – کاهش مصرف انرژی در دیگ بخار

راندمان حرارتی و واقعی بویلر

راندمان سوخت به بخار یا آب، شاخص اندازه گیری همه جانبه راندمان حرارتی واقعی بویلر بوده که کارآمد بودن مبدل حرارتی بویلر را با احتساب کلیه تلفات حرارتی بویلر در نظر می گیرد. لذا این راندمان باید در ارزیابی اقتصادی بویلر مورد محاسبه قرار گیرد.

طبق دستور العمل ASME Power Test Code PTC.4.1 راندمان حرارتی واقعی بویلر توسط یکی از دو روش زیر قابل محاسبه است:

۱-روش انرژی ورودی به خروجی: بر مبنای نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی قابل محاسبه است.

۲-روش تلفات حرارتی: بر پایه احتساب کلیه تلفات حرارتی بویلر بنا شده است و با احتساب تفاضل مقادیر تلفات دودک و تابشی و کنوکسیونی از میزان ۱۰۰% حاصل می شود.

 

پارامترهای موثر در راندمان بویلر

پارامترهای کلیدی که در راندمان بویلر موثر می باشند، به قرار زیرند:

  1. دمای گاز خروجی
  2. تعداد چرخش دود در بویلر
  3. سطح حرارتی
  4. هوای اضافی
  5. تلفات تابشی و کنوکسیونی
  6. ترکیبات سوخت
  7. دمای محیط
  8. مطابق مشعل با بویلر

۱- دمای گاز خروجی

دمای گاز خروجی همان دمای گازهای حاصل از احتراق است که از دودکش بویلر خارج می شوند. دمای گازهای خروجی مورد استفاده در محاسبات راندمان بویلر باید واقعی بوده و از صحت کافی برخوردار باشد به نحوی که انعکاس دهنده مصرف واقعی سوخت بویلر باشد.

طبق مشاهدات عینی، برخی از سازندگان دمای گازهای خروجی را کمتر از میزان واقعی در نظر می گیرند که این امر باعث افزایش کاذب راندمان بویلر می شود. لذا توصیه می گردد که گارانتی بویلر بر اساس دمای واقعی گازهای خروجی عرضه گردد.

لازم به توضیح است که شرایط اقلیمی محل پروژه بر دمای گازهای خروجی تاثیر گذار است و باید مد نظر قرار گیرد. باید توجه داشت در صورتی که دمای گازهای خروجی از دودکش، از حد مطلوبی پایین تر بیاید مشکلات کندانس پدید می آید .وجود بخار آب حاصل از احتراق هیدروژن منجر نشست بخار آب در بدنه دودکش بر می گردد.

در مورد سوخت های حاوی گوگرد نیز در اثر ترکیب گاز تری اکسید گوگرد با بخار آب، اسیدسولفوریک تشکیل می شود. جهت کاهش مشکلات ناشی از پدیده خوردگی که در اثر حضور تری اکسید گوگرد ایجاد می شود، مبانی طراحی باید بر اساس دمای ۲۵۰-۲۷۰ درجه سانتی گراد گازهای خروجی در نظر گرفته شود.

در دماهای مذکور، محصولات احتراق در برگیرنده مقادیر قابل توجهی از حرارت محسوس همراه با گرمای نهان در بخار آب متراکم نشده می باشند.

 

۲- تعداد چرخش دود در بویلر

تعداد پاس هایی که گازهای داغ حاصل از احتراق قبل از خروج از بویلر طی می کنند یکی از عوامل تعیین کننده جهت مقایسه بویلرها می باشد.

بعنوان مثال یک بویلر سه پاس، سه فرصت جهت تبادل حرارتی بین گازهای داغ وآب درون بویلر را فراهم می سازد؛

در نتیجه با توجه به اینکه دمای گاز قبل از خروج از بویلر کاهش یافته و حداکثر انرژی گرمایی جهت تبادل مورد استفاده واقع شده است، بعلت ساختار فیزیکی مبدل حرارتی، راندمان بالاتر و هزینه مصرف سوخت پایین تری را در مقایسه با بویلر دو پاس دارد.

طراحی بویلرهای سه پاس به گونه ای در نظر گرفته شده است که به محض سرد شدن گازهای خروجی، سرعت گازها به حداکثر رسیده که این امر باعث تسهیل در خروج گاز سرد و متعاقبا افزایش راندمان می گردد.

در طراحی بویلرها به گونه ای است که سطح مقطع مطلوب در مسیر هر پاس جهت سرعت مناسب گاز خروجی و انتقال حرارت مهیا شده است.

 

۳-سطح حرارتی

سطح حرارتی بویلر یکی از شاخص های مهم جهت مقایسه پیشنهادات سازندگان می باشد. بطور کلی سطح حرارتی نشانگر این امر است که بویلر در چه شرایط سختی کار می کند.

بویلرهایی که سطح حرارتی بالایی دارند دارای تنش حرارتی کمتری بوده که منجر به راندمان بیشتر، استهلاک کمتر وعمر مفید بیشتر خواهد شد.

بر اساس بررسی های بعمل آمده برای یک ظرفیت مشخص شده، سطح حرارتی متفاوتی از سوی سازندگان ارائه گریده است که این اختلاف بعضا تا حدود ۵۰% متغیر بوده است. برابر تحقیقات بعمل آمده، سطح حرارتی بویلرها را جهت دستیابی به حداکثر راندمان برابر ۵ فوت مربع به ازای هر اسب بخار بویلر، مبنای طراحی پایه قرار می دهد.

 

۴-هوای اضافی

مقادیر اکسیژن مورد نیاز جهت انجام واکنش های احتراق، طبق محاسبات در جدول ۱ ارائه شده برای شرایط ایده آل یعنی شرایط استوکیومتریک (Stojchiometric) می باشند.

m1-2.Mboiler.com

در عمل، احتراق کامل طبق شرایط ایده آل امکانپذیر نیست و به منظور احتراق کامل هوای بیشتری نسبت به مقادیر تئوری مورد نیاز است. این شرایط ناشی از عدم اختلاط کامل هوا با کل اجزاء مورد احتراق می باشد.

بنابراین هوای اضافی میزان هوایی است که علاوه بر این امر بدان معنا نیست که هوای اضافی بیش از میزان مورد نیاز تامین گردد، چرا که وجود هوای اضافی برای پروسه احتراق یکی از زمینه های اتلاف انرژی در صنایع را فراهم می آورد.

از اینرو میزان هوای اضافی مورد نیاز باید تحت کنترل قرار گرفته وطراحی بویلر به گونه ای انجام شود که احتراق در حداقل هوای اضافی صورت گیرد.تغییرات دما وفشار هوا می تواند باعث نوسانات در میزان هوای اضافی مورد نیاز بویلر شود.

احتراق در مقادیر پایین هوای اضافی منجر به افزایش مونوکسید کربن و تولید دوده در بویلر و نهایتا کاهش راندمان بویلر می شود. با توجه به مطالب ذکر شده، ضرور ی است که مقدار هوای مورد نیاز جهت طراحی برآورد گردد.

بمنظور سهولت در تعیین مقدار هوای مورد نیاز نمودارهایی برای سوخت مایع و گاز طبیعی تهیه شده است (شکل های ۱ و ۲).

m1-3.Mboiler.com

m1-4.Mboiler.com

لازم به توضیح است که حجم های ارائه شده برای شرایط استاندارد در دمای ۱۵۰ c و فشار ۱atm می باشند.

در صورت استفاده از دماهای بغیر از ۱۵۰ c از فرمول زیر استفاده می شود:

Vg=V(Ta+273)/288

Vg =m۳……….حجم هوا در دمای مورد نیاز

Ta=۰ C………..دمای واقعی هوای محیط

V= m۳……….حجم بدست آمده از نمودار

 

۵-تلفات تابشی و کنوکسیونی

انرژی حرارتی بصورت تابشی و کنوکسیونی از بدنه و اجزاء بویلر هدر می رود. تلفات حرارتی تابشی تابعی از دمای سطوح و فاصله تجهیزات تاسطوح سرد و تلفات حرارتی کنوکسیونی تابعی از دما و سرعت هوای محیط است.

میزان تلفات مذکور تابعی از ابعاد بویلر و دما وفشار کاری بویلر می باشد که بر روی راندمان بویلر تاثیر گذار است.با در نظر گرفتن حداقل دمای بدنه بویلر و ضخامت و دانسیته مناسب عایق ، تلفات حرارتی را به حداقل رسانده است که باعث افزایش راندمان واقعی بویلر گردیده است.

 

۶- ترکیبات سوخت

ترکیبات شیمیایی سوخت تاثیر به سزایی بر روی راندمان بویلر دارد. بنابراین به منظور دستیابی به محاسبات واقعی راندمان، صحت مقادیر ترکیبات سوخت مورد استفاده باید بررسی گردد، چرا که در نظر گرفتن سوختنی با مشخصات ایده آل راندمان را به طور غیر واقعی افزایش می دهد.

 

۷-دمای محیط

دمای محیط اثرات قابل توجهی بر روی کارایی بویلر دارد .هنگام بررسی محاسبات راندمان شرایط دمایی محیط باید مد نظر قرار گیرد. از اینرو به منظور دستیابی به راندمان بالاتر ، توصیه می شود که هوای محیط اطراف بویلر گرم باشد.

 

۸- تطابق مشعل با بویلر

نحوه عملکرد بویلر بر مبنای قابلیت و توانایی مشعل و بویلر و کنترل کارکرد هماهنگ آنهاست. مشعلی که تطابق لازم با بویلر را نداشته باشد، راندمان پائین تری داشته و هزینه های مصرف انرژی و تعمیر و نگهداری بیشتری را به دنبال خواهد داشت.

 

بررسی تاثیر ارتفاع بر راندمان دیگ بخار

وقتی که از دیگ بخار در ارتفاع بالا استفاده می کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟

تاثیر ارتفاع بر دیگ بخار انکارناپذیر است برای مثال در یک دستگاه بویلر که برای تولید ۵۰۰۰ کیلوگرم/ ساعت بخار با حرارت ۱۰۰ درجه سلسیوس در ارتفاع سطح دریا طراحی شده است اگر به ارتفاع بالاتری منتقل شود نه تنها مقدار بخار تولیدی‌ اش افزایش پیدا نمی‌کند بلکه اینکار باعث تولید بخار کمتری خواهد شد.

بدلیل اینکه در نتیجه کاهش تراکم هوا در ارتفاع بالاتر، بویلر میزان حجم هوای مصرفی مشابه را استفاده می‌کند در حالی که جرم هوا کم خواهد شد.

استفاده از دیگ بخار در ارتفاع

این امر باعث کاهش مصرف سوخت و همچنین کاهش میزان بخار تولیدی خواهد شد. با توجه به کاهش جریان جرمی گازها از طریق لوله های دیگ بخار، انتقال حرارت کنترلی نیز کاهش می یابد که موجب کاهش میزان تبخیر می شود.

برای فرایند احتراق و سوختن نیاز است که دستگاه میزان هوای ثابتی دریافت کند. در ارتفاع بالاتر مقدار اکسیزن به صورت آماری کاهش پیدا می‌کند و دیگ بخار همانند انسان توانایی خو گرفتن با شرایط جدید را ندارد.

در ارتفاع بالاتر اگرچه دستگاه دمنده تعبیه شده در دیگ بخار حجم هوای یکسانی  را برای دستگاه فراهم می‌کند اما از آنجا که تراکم هوا (بطور خاص اکسیژن) کاهش پیدا کرده در نتیجه احتراق کاهش پیدا کرده، میزان سوخت کمتری مصرف شده و در نهایت بخار کمتری تولید می شود.

 

راهکارهای مقابله با تاثیر ارتفاع بر دیگ بخار

بنابراین می توان نتیجه گرفت که دیگ بخار با ظرفیت مشخص در صورت انتقال به سطوح بالاتر خروجی موردنظر را تولید نخواهد کرد. بنابراین لازم است بر میزان جریان جرم هوا برای احتراق به جای جریان حجمی هوا تمرکز شود.

در ارتفاعات بالاتر دمای جوی کاهش می یابد، بنابراین برای افزایش کارایی دیگ بخار، باید برای افزایش دمای آب و هوای ورودی دستگاه نیز تمرکز شود. همچنین برای جلوگیری از تلفات حرارتی به علت جابجایی و تابش آفتاب، باید عایق بندی مناسب تمام تجهیزات انجام شود.

مجله تاسیسات شماره ۱۴۱

انتخاب صحیح بویلر

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

انواع دیگ های(بویلرهای) بخار مشهد بویلرانواع دیگهای(بویلرهای)روغن داغ مشهد بویلرانواع دیگ های(بویلرهای) آبگرم(آبداغ)-دیگ فولادی مشهد بویلربخارشوی-کارواش-تجهیزات موتورخانه-روغن حرارتی-هیتر هوای گرمفیلترشنی-مبدل حرارتی-سختی گیر-موگیر و صافی-منبع کوئل دارمقاللات تخصصی بویلر(دیگ بخار)-نرم افزارهای تخصصی-استانداردهای فنی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *