در این جا به بررسی و تشریح دیگ های بخار، از نظر جنس (دیگ های چدنی و فولادی) و از نظر محتوای لوله ها (دیگ های فایر تیوب و واتر تیوب)، و هم چنین دیگ های پکیج خواهیم پرداخت.
دیگ های چدنی
این نوع دیگ ها از قطعات چدنی مجزایی که به یکدیگر متصل می شوند، تشکیل می شود که در آنها تعدادی پیچ های فشاری، واشرها، مجرای مناسب برای عبور آب و محصولات احتراق بکار رفته است. تعداد پره ها در یک دیگ تعیین کننده اندازه و ظرفیت آن است.
این پره ها می توانند افقی یا عمودی باشند که معمولاً نوع عمودی آن متداول تر است. شعله مشعل در فضای وسط پره ایجاد شده و گازهای داغ حاصل از احتراق سوخت، از مجراهای خاصی که برای افزایش بازده دیگ در نظر گرفته شده، عبور می کنند. برای جلوگیری از برخورد مستقیم شعله با بدنه پره های دیگ می توان با آجر و خاک نسوز داخل دیگ را آجرچینی کرد.
ظرفیت حرارتی دیگ های چدنی معمولاً پایین بوده و حداکثر در حدود ۷۰۰۰۰۰KCal/hr می باشد. در دیگ های با ظرفیت بالا ممکن است هر پره دیگ از دو قطعه تشکیل شود.
نحوه استفاده از دیگ های چدنی
برای سیستم های حرارت مرکزی با ظرفیت حرارتی بالا می توان از دیگ های چدنی به صورت موازی استفاده کرد. دیگ های چدنی اصولاً برای تولید آب گرم طراحی می شوند و کمتر برای تولید بخار استفاده می شوند. این دیگ ها معمولاً در فشارهای پایین (۳-۵ اتمسفر) قابل استفاده می باشند.
برای سیستم های با فشار بالاتر، از دیگ های فولادی استفاده می شود.
پره های دیگ های چدنی به وسیله بوشن به یکدیگر متصل می شوند. با توجه به اینکه پره های این دیگ ها قابل جدا شدن می باشند، حمل و نقل آنها در مقایسه با دیگ های فولادی به سادگی صورت می گیرد. با افزایش یا کاهش تعداد محدودی از پره های دیگ چدنی می توان ظرفیت حرارتی آن را تغییر داد.
دیگ های چدنی در مقابل زنگ زدن و خوردگی بسیار مقاوم هستند، اما، مشکل اصلی آنها پیدایش ترک در جداره پره هاست که به ترکیدن دیگ معروف است.
با توجه به اینکه جوشکاری چدن مشکل است، اغلب ترک برداشتن پره منجر به تعویض آن می شود که این خود با مشکلاتی از جمله باز کردن اتصالات دیگ، تعویض پره، بستن دیگ و مسائل آب بندی دیگ همراه است. پیدایش ترک بر روی پره های دیگ می تواند به علل زیر باشد:
- برخورد مستقیم شعله به جدار پره و ایجاد تنش های حرارتی.
- ایجاد رسوب در روی سطح داخلی پره ها و در نتیجه افزایش زمان کار مشعل و تولید شعله در محفظه احتراق دیگ.
- فشار زیاد آب داخل دیگ.
- گرم و سرد شدن ناگهانی دیگ.
دیگ های چدنی ممکن است از نوع dry base (که در آنها مشعل در قسمت زیرین قرار دارد )، wet base (که در آنها مشعل توسط مجراهای آب محاصره شده است) و یا wet leg ( که در آنها قسمت های بالایی و پهلویی مشعل توسط مجراهای آب در برگرفته شده است) ساخته شوند.
در مجموع دیگ های آبگرم چدنی با دارا بودن دوام بیشتر، قابلیت افزایش ظرفیت دیگ و فشار پایین نسبت به سایر انواع دیگ ها، مناسب تر می باشند. دیگ های چدنی بزرگ در محل موتورخانه جمع و به مرحله بهره برداری می رسند، اما دیگ های چدنی کوچکتر را می توان در کارخانه تولید کننده، مونتاژ، تست و بسته بندی کرد.
دیگ های فولادی
این دیگ ها بیشتر برای تولید آب داغ (تحت فشار) و بخار و اغلب در ظرفیت های بالا، استفاده می شوند. این دیگ ها بطور یکپارچه روی یک شاسی ساخته می شوند و بنابراین حمل و نقل آنها بسیار مشکل تر از دیگ های چدنی است. در ساخت دیگ های فولادی از تعداد زیادی لوله های فولادی خاص استفاده می شود.
دیگ های فولادی خود به دو نوع تقسیم می شوند:
- دیگ های Water Tube که در آنها آب در داخل لوله و آتش در اطراف لوله قرار دارد. این نوع دیگ ها در ظرفیت های بالا ( تا ۶۰۰۰۰۰۰۰Btu/hr تولید بخار تحت فشار ۶۰۰۰Psi) ساخته می شوند.
- دیگ های Fire Tube که در آنها آتش در داخل لوله و آب در اطراف لوله قرار دارد و گرم می شود. این نوع دیگ ها در ظرفیت های متوسط ( ۶۰۰۰۰۰۰Btu/hr تولید بخار تحت فشار ۶۰۰۰Psi ) تولید می شوند.
عیب مهم دیگ های فولادی زنگ زدگی به ویژه در محل اتصال لوله ها با صفحات فولادی دو انتهای دیگ است. خوردگی لوله ها و صفحات فولادی موجب کاهش عمر دیگ می شود. از مشکلات دیگر این دیگ ها (بویژه دیگ های از نوع تولید بخار)، امکان رسوب گرفتن سطوح مجاور با آب دیگ هاست. برای جلوگیری از آن لازم است از دستگاه های سختی گیر با کنترل دقیق استفاده می شود.
در دیگ های فولادی نیز مانند دیگ های چدنی می توان از طرحهای dry base ، wet base ,wet leg استفاده کرد.
اکثر دیگ های فولادی کوچک که برای گرمایش ساختمان استفاده می شوند، از نوع dry base با لوله های آتشخوار عمودی می باشند، اما در دیگ های بزرگتر معمولاً لوله های آتشخوار و لوله های آب بصورت افقی یا مورب قرار دارند.
همانطور که در بحث دیگ های فولادی به آن اشاره شد، این نوع دیگ ها خود به دو دسته تقسیم می شوند: دیگ های واتر تیوب و دیگ های فایرتیوب. حال در اینجا به شرح و بررسی این نوع دیگ ها می پردازیم:
تاریخچه و عملکرد بویلرهای فایر تیوب
بویلرهای فایرتیوب مبدل های حرارتی از نوع پوسته و لوله ای هستند که سیال گرم ( گازهای ناشی از احتراق سوخت ) آنها در لوله های مبدل و سیال سرد (آب) آنها در پوسته مبدل قرار دارد. این گونه بویلرها تنها توانایی تولید بخار در دما و فشار اشباع آب را دارند.
این بویلرها در صنایعی که احتیاج به بخار آب در دما و فشار نه چندان بالایی دارند، مانند کارخانه های شیمیایی، پالایشگاه های نفت، صنایع فولاد، صنایع دارویی، صنایع غذایی و … بکار می روند. انواع بویلرهای فایرتیوب نسبت به نوع واترتیوب، به ازای مقدار بخار تولیدی و فشار خروجی مشخص، از قیمت پایین تری برخوردارند.
این دیگ و بویلرها به اشكال عمودی و اكثرا افقی ساخته می شوند، گرچه پیشرفت های اخیر احتراق در بسترهای سیال باعث استقبال از دیگ های عمودی به خاطر فضای كافی بالای بستر احتراق موجود در كوره شده است.
یكی از عوامل محدود كننده ظرفیت دیگ های عمودی به 3.5 mw محدودیت فضای آزاد شدن بخار (در مخزن بخار) است. عامل دیگر مساله قرار دادن سطوح داغ در درون یك پوسته عمودی است.
نمونه ای از دیگ لوله – آتشی افقی در شكل 2-1 نشان داده شده است.
این دیگ بخار شامل كوره افقی با قطر 0.5 m تا 1.8m بسته به ظرفیت تولید آن است. برای ظرفیت های بالاتر از 10mw (با سوخت نفت یا گاز) و 6mw (با سوخت زغال) دو كوره مجاور هم در نظر گرفته شده است.
دیگ های لوله – آتشی را به صورت از قبل طراحی شده در ظرفیت های استاندارد می سازند. ولی در موارد ویژه دیگ های خاص نیز ساخته می شوند.
چون تمامی سطوح انتقال حرارت، از جمله مخزن آب و مخزن بخار، همه بایستی در یك پوسته (SHELL) قرار گیرند، حج پوسته نسبت به ظرفیت كلی دیگ نسبتا بزرگ است، كه امكان جواب گویی تولید فوق العاده بخار را در ساعات اوج مصرف فراهم می سازد.
در واقع می توان با افزایش فوق العاده ظرفیت پوسته، سطوح حرارتی زیادتری را در آن جای داد و این امر اساس دیگ های ذخیره حرارتی را تشكیل می دهد.
محدودیت دیگ لوله – آتشی
اندازه و ظرفیت
در انگلستان حمل بار در جاده ها محدود به عرض 4.3m می شود، كه البته این امر بستگی به وضعیت مسیر انتخاب شده دارد. این محدودیت باعث محدود شدن طراحی ظرفیت تولیدی به 20mw (سوخت های نفت یا گاز) و 12mw (سوخت زغال) برای هر دیگ لوله – آتشی گردیده است. برای قراردادهای خاص، می توان تسهیلات ویژه ای از اداره كل ترابری در اعمال محدودیت ها كسب كرد.
فشار
كوره استوانه ای شكل دیگ لوله – آتشی در معرض متلاشی شدن و در هم پیچیده شدن بر اثر فشارهای خارجی وارده بر آن است. افزایش ضخامت دیواره ی كوره باعث افزایش حرارتی ناشی از شیب حرارتی دو ظرف فلزی می گردد.
از طرف دیگر استانداردهای ملی حداكثر ضخامت جداره كوره را 22mm تعیین كرده و طبق فرمولی فشار عملی ایمن را می توان محاسبه نمود. در عمل این فشار بین 30 bar برای كوره های كوچك تا 18 bar برای كوره های بزرگ متغیر است.
بنابراین كوره عامل اصلی محدود كننده فشار در ساخت دیگ و بویلرهای بخار لوله – آتشی به شمار می رود. از طرف دیگر كوره های (بازیافت) ضایعات حرارتی كه نیازی به كوره ندارند، برای تهیه فشارهای بالاتر كاربرد دارند. از این نوع كوره ها در دیگ های تركیبی هم استفاده می شود. (شكل 1-12)
سوخت
كوره دیگ لوله- آتشی به علت محدودیت اندازه خود، در به كارگیری وسایل آتشكاری به خصوص احتراق سوخت های پرحجم نظیر ضایعات نخیلات و تفاله كارخانجات نیشكر، نیز محدود هستند ولی می توان از ادوات آتشكاری احتراق سوخت های فسیلی به خوبی استفاده كرد.
بنابراین برای بالا بردن ظرفیت به میزان بالاتر از توانمندی های شكل 2-2 بایستی از دیگ های تركیبی یا لوله – آبی استفاده كرد. در سایر موارد می توان از دیگ های لوله – آتشی ارزان تر و آماده نصب استفاده نمود.
امروزه تصور كلی بر این است كه دیگ های یكپارچه (پكیج) لوله – آتشی را می توان به راحتی حمل، نصب، وصل و در عرض چند روز آماده بهره برداری نمود. تمام این مراحل البته شدنی است، ولی در موارد زیادی، موضوعاتی فرعی نظیر نیروهای كار خارجی و مقررات اداری موجب تاخیر چشمگیری می گردند، بنابراین هماهنگی بین مقاطعه كاران ضروری است.
دیگهای لوله – آتشی را می توان مجهز به داغ كننده های بخار یا اكونومایزرها یا هر دوی این وسایل نمود. از داغ كننده های بخار در موارد رساندن بخار به مصرف كننده ها در فواصل دور، یا نیروگاه های متوسط برق استفاده می شود.
از اكونومایزرها امروزه در سطح وسیعی در دیگ های گازسوز استفاده می شود، ولی در احتراق سوخت های مایع نفتی و زغالی احتمالی تقطیر مواد اسیدی وجود دارد. چنین مسایلی را می توان با طراحی دقیق، یا با اضافه كردن افزودنی های خنثی كننده به سوخت یا به جریان هوای احتراق حل نمود.
با استفاده از امكانات فوق می توان بازده دیگ های لوله – آتشی را تا حد بازده دیگ های لوله _ آبی، یعنی %85 یا بالاتر (براساس ارزش حرارتی ناخالص سوخت) ارتقا داد.
طراحی اولین بویلر توسط جیمز وات:
بویلرهای اولیه از این نوع را که جیمز وات در سال ۱۷۸۸ اختراع کرد، بصورت محفظه های آهنی استوانه ای شکل ساخته می شدند. درون این محفظه ها با آب پرشده و بدنه آن ها بر روی یک کوره نصب می شد.
گازهای حاصل از احتراق سوخت در کوره توسط مجراهای تعبیه شده در اطراف محفظه جریان می یافتند و بدین ترتیب انرژی گرمایی خود را به آب درون محفظه منتقل می کردند. از جمله معایب این سیستم را می توان ته نشین شدن ناخالصی های موجود درآب، در کف بویلر نام برد.
این رسوبات به صورت عایق حرارتی عمل کرده و باعث کاهش انتقال حرارت بین گازهای داغ حاصل از احتراق و آب درون بویلر می شد که این امر از طرفی باعث افت دمای آب بویلر و از طرف دیگر باعث افزایش دمای جداره زیرین بویلر و در نتیجه ایجاد تنش حرارتی در این قسمت و در نهایت ترکیدن بویلر می شد.
توسعه طراحی انواع بویلرها:
ترویتیک انگلیسی و واوان آمریکایی اولین کسانی بودند که احتراق داخلی انواع بویلرها را مطرح کردند. بویلر پیشنهادی آنها یک استوانه تحت فشار بود که یک کره استوانه ای شکل را درون خود جای می داد.
گازهای داغ ناشی از احتراق سوخت در کوره، توسط مجرایی که در قسمت زیرین بویلر قرار داشت به سمت جلوی بویلر فرستاده شده و سپس از طریق مجرای دیگری دوباره به سمت عقب بویلر حرکت کرده و نهایتاً از طریق دودکش از بویلر از بویلر خارج می شدند.
بدین ترتیب آب درون بویلر که این مجراها را احاطه کرده بود، با گرفتن انرژی حرارتی لازم به بخار اشباع تبدیل می شد. مشکل ته نشین شدن و رسوب ناخالصی های موجود در آب در این نوع بویلرها نیز وجود داشت ولی از آنجا که در این نوع بویلر، رسوب تشکیل شده در معرض تماس مستقیم با شعله کوره قرار نداشت، میزان تنش های حرارتی ناشی از آن به مراتب از نوع اولیه کمتر بود.
به هر حال این مشکل سالیان متمادی وجود داشت تا اینکه دانشمندان توانستند روش های شیمیایی تصفیه آب را بوجود آورند. در سال ۱۸۴۴ فریبرن ( Fairbairn) و هترینگتون (Hetherington) بویلری مشابه بویلر فایر تیوب ترویتیک ( Trevithick ) ساختند، با این تفاوت که بویلر آنها مجهز به دو کوره جهت احتراق سوخت بود. حجم بزرگتر این بویلر امکان تولید بخار بیشتری را فراهم می کرد.
استفاده از این بویلرها تا سال ۱۹۵۰ ادامه یافت، تا اینکه با پیشرفت صنعت بخار، این بویلرها توسط نوع دیگری که شامل لوله های متعدد برای عبور گازهای حاصل از احتراق بودند، جایگزین شدند. این بویلرها که در انگلستان به بویلرهای اقتصادی ( Economic ) و در آمریکا به بویلرهای اسکاچ ( Scotch ) مشهور بودند، بر این اساس که هرچه سطح تبادل حرارت بین گازهای داغ و آب بیشتر باشد به همان میزان می توان انرژی بیشتری را از مقدار مشخص سوخت دریافت کرد، ساخته شدند.
این بویلرها نسبت به انواع قبلی به ازای خروجی بخار یکسان از حجم کوچکتری برخوردار بودند. دیگ های اقتصادی ، الف) دوکاناله ، ب) سه کاناله
بویلرهای فایرتیوب اولیه به منظور استفاده هرچه بهتر از فضای در دسترس دارای سطح مقطع مستطیل شکل بودند که تمرکز تنش ناشی از فشار درونی بویلر در گوشه های آن در بسیاری از موارد باعث ترکیدن بویلر می شد.
یکی دیگر از مشکلات بویلرهای اقتصادی مسئله تنش های حرارتی جداره انتهایی بویلر بود. این جداره هم در معرض گازهای خروجی از کوره و هم در معرض گازهای خروجی از لوله های گذر دوم قرار داشت که اختلاف دمای موجود بین این گازها باعث ایجاد تنش حرارتی روی دیواره و ایجاد ترک و نشتی از آن می گشت.
کارخانه لینکلن (Lincoln)، با ساختن بویلری که جدار انتهایی آن از دو فلز به جنس های مختلف تشکیل شده بود، توانست این مشکل را از بین ببرد. پس از جنگ جهانی دوم و توصعه صنعتی کشورها، تکنولوژی ساخت انواع بویلرها نیز متحول گشت و بویلرهای ساخته شده از آن پس پکیج هایی هستند که دارای اجزای مختلفی مانند مشعل، پمپ، سوپاپ های اطمینان و فن هستند و راندمان آنها به ازای خروجی یکسان بهبود یافته است.
در شکل ۲-۴ یک نمونه از بویلرهای فایر تیوب جدید را ملاحظه می کنید:
شکل ۲-۴ : برشی از یک بویلر فایرتیوب امروزی
انواع بویلرهای فایرتیوب
انواع بویلرها را به دو دسته طبقه بندی می کنند:
بویلرهای با کوره در بیرون (External Furnace Steel Fire tube Boilers)
در این نوع بویلرها، کوره در بیرون ردیف لوله های آتش (Fire Tubes ) قرار دارند و گازهای حاصل از احتراق سوخت از درون لوله ها گذر می کند. این مدل بویلرها در سه نوع زیر ساخته می شوند:
Horizontal Return Tubular ( H.R.T. ):
این نوع که بیش از سایرین مورد مصرف قرار می گیرد، دارای ماکزیمم فشار کاری ۱۴bar و ماکزیمم بخاردهی ۱۱٫۵m³/hr است. راندمان آن غالبا ۷۰% و نرخ تولید بخار به واحد سطح ، از ۱۵ الی ۲۵ کیلوگرم در ساعت می باشد.
Short Fire Box
Compact
بویلرهای با کوره در درون ( Internal Furnace Steel Fire tube Boilers ):
این گونه بویلرها را در سه تیپ می سازند:
Horizontal Tubular که خود دارای چهار نوع زیر است:
-Locomotire Boilers
با حد اکثر فشار کاری ۱۷bar و ماکزیمم بخاردهی ۶٫۸m³ بخار اشباع است.
-Short Fire Box Boilers
-Compact Boilers
که دارای ظرفیت بخاردهی ۰٫۲ الی ۵٫۶ متر مکعب در ساعت بخار است.
-Scotch Boilers
که دارای ماکزیمم فشار کاری ۱۷ bar و ماکزیمم ظرفیت بخاردهی ۶٫۸m³/hr است. این نوع بویلرها را در دو تیپ Dry back و Wet back می سازند. اگر پشت کوره این بویلر با مواد نسوز پوشانده شود، آن را Dry back و اگر با آب احاطه شود آن را Wet back گویند.
- Vertical Tubular : که دارای بخاردهی ۱٫۵m³/hr در فشار نهایی ۱۷bar است.
- Residental Boiler : که در تیپ های لوله افقی و قائم جهت تولید آب داغ ساخته می شوند و در هر ساعت حداکثر تبادل حرارتی ممکن ۱۳۵۰۰BTU است و نوع لوله قائم آن برای تولید ۰٫۵m³/hr بخار اشباع ساخته می شود.
تاریخچه و عملکرد بویلرهای واتر تیوب
بویلرهای فایرتیوب مبدل های حرارتی از نوع پوسته و لوله ای هستند که سیال سرد (آب) آنها در لوله های مبدل و سیال گرم (گازهای ناشی از احتراق سوخت) آنها در پوسته مبدل قرار دارد. در این نوع بویلرها برخلاف بویلرهای فایرتیوب، بخار آب می تواند به دما و فشار بیشتر از حد اشباع خود رسیده و مافوق گرم ( Super Heat ) شود.
در واقع محدودیت های بویلرهای فایرتیوب از نظر تولید بخار پرفشار و دما بالا، مانند بخاری که برای به گردش در آوردن توربین های بخار نیروگاه ها لازم است، باعث مطرح شدن این نوع بویلرها شده است.
طراحی اولیه بویلرهای واترتیوب به اواخر قرن ۱۸ و اوایل قرن ۱۹ میلادی بر می گردد. ولی بدلیل در اختیار نبودن لوله ها و موادی که قادر به تحمل فشار بالای این بویلرها باشند، این طرح ها هرگز به مرحله اجرا در نیامدند.
اساس طراحی بویلر واترتیوب
استفان ویلکاکس (Stephen Vilcox) و جرج بابکوک (George Babcock) را می توان پیشگامان طراحی بویلرهای واترتیوب به شکل امروزی دانست. شکل ۲-۵ بویلر طراحی شده آنها در سال ۱۸۷۷ را نشان می دهد.
در بویلر واترتیوب طراحی شده توسط استفان ویلکاکس و جرج بابکوک، لوله های حاوی آب بصورت مایل قرار گرفته اند و انتهای دو سر آنها توسط دو مجرا به محفظه استوانه ای شکلی به نام درام ( Drum) متصل شده اند.
بخار تولید شده در لوله های بویلر قبل از اینکه به مصرف کننده برسد، وارد درام می شود تا ذرات آب موجود در بخار آب گرفته شود. سطح تبادل حرارت در این بویلر از تعدادی لوله به قطر تقریبی ۷۵mm تشکیل شده است. تعدادی از این لوله ها در معرض مستقیم شعله احتراق و بقیه در معرض گازهای داغ ناشی از احتراق قرار دارند.
برای هدایت این گازها در اطراف لوله ها از تعدادی تیغه ( Baffle ) استفاده می شود، این تیغه ها با اصلاح مسیر حرکت گازها باعث افزایش سطح انتقال حرارت و در نتیجه افزایش راندمان بویلر می شوند.
به این ترتیب در این نوع بویلر حرارت گازهای حاصل از احتراق از طریق گروهی از لوله ها که سطح مقطع آنها در مقایسه با قطر پوسته بویلر فایرتیوب نسبتاً کوچک می باشد، به آب داده می شود. این امر امکان افزایش بخار تولیدی را میسر می سازد.
با افزایش نیاز به مصرف بخار فشار بالا، طراحی بویلرهای واتر تیوب نیز تغییر کرد. بویلر واترتیوب با چند درام و نوع واتروال ( Water Wall )، از انواع طراحی شده بعدی محسوب می شوند. در نوع واتروال آب درون لوله های قائمی که محفظه احتراق را احاطه کرده اند، به سمت بالا در جریان است. آب درون لوله ها با گرفتن انرژی گرمایی گازهای حاصل از احتراق به بخار تبدیل می شود. این لوله ها از یک انتها به آب تغذیه بویلر و از انتهای دیگر به یک درام متصل هستند.
انواع بویلرها از این مدل قابلیت تولید بخار با فشار اشباع ۱۰۰bar و بیشتر را دارا می باشند. در شکل های ۲-۶ و ۲-۷ نمونه های دیگری از بویلر های واترتیوب نشان داده شده است.
شکل ۲-۶ : نمونه ای از بویلرهای واترتیوب جدید
شکل ۲-۷ : نمونه دیگری از بویلرهای امروزی
انواع بویلرهای واتر تیوب
این نوع بویلر ها به دو دسته طبقه بندی می شوند:
- Horizontal Straight Tube Boilers : این نوع بویلرها دارای بخار دهی ۱۳٫۵m³ برای هر متر عرض بویلر است و ابعاد آن از دو متر عرض، ۵ متر ارتفاع، ۵ متر عمق تا ۵ متر عرض ، ۵ متر ارتفاع و ۷ متر عمق تغییر می کند.
- Bont Tube Boilers : بخاردهی این نوع بویلرها از مدل اول بیشتر بوده و تا میزان ۷m³ برای هر متر عرض، بخار تولید می کند. این نوع بویلرها را طبق شکل در سه تیپ A ، O ، D شکل می سازند.
محسنات بویلرهای واتر تیوب نسبت به بویلرهای فایرتیوب از این قرار است
- امکان دستیابی به فشارهای بالا و در نتیجه جذب حرارت بیشتر توسط سیال عامل.
- بیشتر بودن سطوح تبادل حرارتی به علت نامحدود بودن حجم و ابعاد کوره بویلر که در نتیجه، با افزایش سطوح، نرخ جذب حرارت زیاد و بخاردهی بیشتر می شود.
- به علت بزرگ بودن کوره، امکان دستیابی به فلاکس حرارتی بالا بدون خسته شدن و اکیپ دیدن لوله ها وجود دارد.
- راندمان بالاتر از ۹۰% ، در صورتی که در بهترین طرح های بویلرهای فایر تیوب راندمان بیش از ۸۰% نیست.
| لوله – آتشی | لوله – آبی | |
| فشار ظرفیت سوخت متناسب هزینه نصب بازده آب تغذیه کاربرد اصلی بازرسی | با آتشکاری عادی محدود به20 – 30 bar (20bar در دیگ های بزرگ) با سوخت های ضایعاتی فشار بالاتر است. تقریبا محدود به 20mw تمام سوخت های تجاری و بعضی ضایعات تصفیه شده. در کاربری های یکسان با لوله – آبی، ارزان تر است (شکل 2-12) یکپارچه است و پس از وصل به سرویس های جانبی، آماده کار می گردد. %85- 80 (ارزش گرمایی ناخالص) بستگی به نوع سوخت، با اضافه کردن اکونومایزر بازده بیشتر می شود. مطابق استاندارد BS2486 ایجاد گرما هر 14 ماه | تقریبا نامحدود است. تقریبا نامحدود است به علت بزرگ بودن کوره قابلیت تطابق با هر نوع سوخت را دارد. در مقایسه با لوله – آتشی وقتی کاربری یکسانی داشته باشند گران تر است (شکل 2- 13) قابلیت مونتاژ در محل یا در کارخانه را دارد. % 90-85 (ارزش گرمایی خالص) بستگی به نوع سوخت. معمولا اکونومایزر و گرم کن هوا طبق استاندارد وجود دارد. استفاده از هر دوی آنها باعث افزایش بازده است. مطابق استاندارد BS2486 ولی با دقت بیشتر از لوله – آتشی ایجاد گرما و نیرو هر 26 ماه |
دیگ های تركیبی
در این دیگ ها، قسمت لوله – آتشی دیگ فاقد لوله های قطور گازهای احتراق است و این امر مشكل عمده دیگ های لوله – آتشی یعنی محدودیت فشار و ظرفیت تولیدی آن ها را برطرف می سازد.
ظرفیت دیگ (بویلر ) های تركیبی وابسته به توانایی ساخت پوسته دیگ ها توسط سازندگان و مقررات حمل جاده ای می باشد. حداكثر فشار بخار با دمای صفحه – لوله كنترل می شود كه این دما طبق استاندارد BS2790 مشخص شده است.
در مورد احتراق سوخت های جامد، این محدودیت ها تقریبا (26mw (11kg s -1 در فشار 32bar و دمای 400 ºc می باشد. قطعات دیگ های تركیبی را معمولا به صورت مجزا یا مدول، به محل حمل می كنند و قطعات عمده ان شامل كوره و اجزاء دیگ لوله – آتشی است كه در كارخانه مونتاژ شده اند.
انواع بویلرها نیروگاهی
بویلرهای نیروگاهی از نوع بویلرهای واتر تیوب، با لوله های فولادی و خمیده ساخته می شوند و ممکن است سیرکولاسیون سیال عامل آن به صورت طبیعی یا اجباری ( تحت فشار ناشی از پمپ کردن ) باشد.
چگالی آب بعد از گرفتن حرارت دیگ گرم شده، کاهش می یابد. کاهش دانسیته نیرویی پدید می آورد که به نام نیروی ترمو سیفون مشهور است.
در فشار ۳۴bar، نسبت دانسیته آب اشباع به بخار اشباع ۵۰ به ۱ است. هر قدر فشار بالا می رود و به نقطه بحرانی آب، یعنی به فشار ۲۲۰bar می رسد، این نسبت کاهش می یابد و در نقطه بحرانی ۱ به ۱ می شود.
از این رو در فشارهای پایین اختلاف دانسیته زیاد است و می تواند باعث سیرکولاسیون طبیعی شود. می توان نتیجه گرفت تا حوالی فشارهای ۱۷۰bar از سیکل های طبیعی استفاده کرد. اما چند عامل اساسی وجود دارد که با بزرگ شدن واحدهای نیروگاهی بایستی بخارسازها ( انواع بویلرها) را به سوی سیرکولاسیون اجباری سوق داد.
در اینجا به شرح دیگ های بخار با سیرکولاسیون طبیعی و اجباری و انواع آنها می پردازیم :
دیگ های بخار با سیرکولاسیون طبیعی
۱- با افزایش فشار سیستم، اختلاف دانسیته آب اشباع در پایین آورنده های آب تحت اشباع ( Down Comers )و مخلوط دو فازه در دیواره های آبی ( Water Walls ) کم می شود و اختلاتف ارتفاع استاتیکی، برای ایجاد رانش سیال بسیار کاهش می یابد.
به همین دلیل سیرکولاسیون مختل و سیال با سرعت بسیار کمی جاری می شود و اشکال های اساسی در انتقال حرارت سیال درون لوله ها به وجود آمده ، رژیم های جریان به سرعت عوض می شوند و پایدار نمی مانند و همچنین به علت سرعت کم سیال، این دو عامل باعث می شود که تولید بخار به سرعت بالا رود ( Flash Off ) و لوله ها در معرض سوختن ( Over Heat ) قرار گیرد.
اما شاید مهم ترین مشکل، جدایش آب و بخار اشباع در داخل درام باشد. زیرا در فشار بالا آب و بخار تمایل کمتری به جدا شدن از همدیگر دارند و در نتیجه، سیستم از بخار دهی خواهد افتاد.
۲- برای آسیب نرسیدن به لوله ها و داشتن رژیمی پایدار از نظر انتقال حرارت به سیال داخل لوله ها، داشتن حداقل سرعت مناسب برای سیال در سیرکولاسیون طبیعی از مسائل حیاتی است.
از این رو سرعت گذر سیال در سیرکولاسیون طبیعی، حساسیت مضاعفی دارد و تغییرات سرعت سیال درون لوله ها خود تابع عواملی چون شار حرارتی، نرخ انتقال حرارت، طول لوله ها، قطر لوله ها و ضریب صافی سطح داخل لوله ها می باشد.
۳- اگر بخواهیم راندمان واحد بخار ساز را بالا ببریم، باید طبق قانون دوم ترمودینامیک دو کار را تجربه کنیم:
یا دمای منبع سرد را پایین بیاوریم و یا دمای منبع گرم را بالا ببریم. افزایش دمای منبع گرم (دمای کوره) میسر است، امابستگی تامی به فشار دارد.
یعنی در فشارهای بالا می توان دمای منبع گرم را بیشتر بالا برد. از این رو لازم است برای بارگیری بیشتر از یک دیگ بخار، آن را به سمت فشارهای بالا ( نقطه بحرانی آب ) سوق داد. البته در آن صورت باید از سیرکولاسیون اجباری استفاده کرد.
بعضی از سازندگان واحدهای بخار ساز، سیکل های اجباری را از ۱۲۲٫۵ bar به بالا پیشنهاد می کنند، اما بعضی دیگر سیکل های طبیعی را تا حوالی فشار ۱۸۳٫۶bar عملی و اقتصادی می دانند. اما دسته سومی هستند که مرز سیرکولاسون طبیعی و اجباری را ۱۷۰bar دانسیته، در طرح های خود بدان وفادارند.
دیگ های بخار با سیرکولاسیون اجباری
این نوع دیگ ها خود دارای دو طرح اساسی هستند :
بویلر با سیرکولاسیون اجباری و زیر نقطه بحرانی با درام
این طرح ها را از ۱۵۶bar الی ۱۹۰bar می سازند. در این نوع طرح ها عامل سیبرکولاسیون و چرخش آب، پمپ های دیگ بخار ( Boiler Circulation Pumps ) هستند، داشتن سرعت کافی برای سیال در لوله ها هنگام انتقال حرارت، عدم تغییر رژیم های انتقال حرارت و مسائل هیدرودینامیکی سیال، جدایش سریع بخار از آب در داخل درام، تولید بخار انبوه و قابل دسترس در تغییرات سریع بار، راندمان بالا به خاطر امکان افزایش دمای منبع گرم ( کوره )، کنترل بهینه شیمی آب، پاسخ سریع به نیازهای توربین و … از مزایای انکار ناپذیر این گونه طرح ها هستند.
امروزه این واحدها را تا مرز ۲۰۰۰ton/hr بخار داغ طراحی کرزده و ساخته اند.
مسئله قابل اهمیت در این نوع سیرکولاسیون ها، نسبت سیرکولاسیون است. زیرا در سیکل باید همیشه آب اضافی موجود باشد و بطور مداوم در مداری بسته حرکت کند. بنا به تعریف:
Circulation Ratio = 1/x
که در آن x کیفیت بخار نامیده شده و عبارتست از مقدار بخار در یک کیلوگرم از مخلوط دو فازه آب و بخار برای مثال، اگر کیفیت نهایی بخار در واحد درام دارای ۰٫۲ باشد، نسبت سیرکولاسیون چنین سیستمی ۵ خواهد بود و آن بدین معنی است که باید در هر ساعت، ۵ برابر بخار داغ خروجی از بویلر، آب در سیکل به وسیله پمپ های سیرکولاسیون جریان یابد.
در این نوع طرح ها برای سرعت بخشی به سیرکولاسیون پایین آورنده ها را خارج از کوره نصب می کنند یا به عبارتی، آن را آدیابات در نظر می گیرند تا از اختلاف دانسیته سیال درون آنها در دیواره های آبی نیز در امر سیرکولاسیون سود برند. این امر سه نقطه مثبت به همراه دارد :
۱- به نیروی رانشی ( Boiler Circulation Pumps ) کمک می شود.
۲- لوله های Down Comers در معرض تنش های حرارتی قرار نمی گیرند.
۳- حجم متناسب کوره حفظ می شود.
بویلر با سیرکولاسیون اجباری زیر نقطه بحرانی و یکبار گذر
در این طرح، پمپ آب تغذیه سیال عامل را به جلو می راند و آب در گذر از لوله های طویل، در اثر انتقال حرارت، گرم شده و بخار می گردد. در حقیقت، با افزایش سطوح انتقال حرارت و طویل گرفتن مناطق تغییر فاز، حرارت جذب شده توسط سیال زیاد می شود و رژیم جریان سیال از آب به بخار اشباع می گردد و آنگاه بخار داغ تغییر می کند.
به علت جاری نکردن آب اضافی، دیگر نیازی به وجود درام، بدان صورت که در طرح قبلی پیش بینی می شد، نیست. شکل های و شماتیک ساده ای از این نوع سیکل ها را ارائه می کنند. چنانچه از شکل شماره پیداست، پمپ آب تغذیه سیال را به سمت اکونومایزر می راند. سیال تا حوالی دمای اشباع فشار اکونومایزر گرم می شود، سپس وارد منطقه انتقالی (Transition Section ) می گردد که آن را اواپراتور می نامیم.
سیال بعد از تبخیر وارد مخزنی بنام جدا کننده ( Separator ) شده و در آنجا قطرات آب از بخار جدا می شود. آنگاه بخار با کیفیت ۱۰۰% ( x = 1 ) به سوی سوپرهیتر روانه می شود و بعد از داغ شدن به طرف توربین فشار بالا ( High Pressure Turbine ) می رود.
وجود جداکننده در این طرح ها حیاتی است، زیرا در واحد های درام دار امکان بهینه سازی آب در درام با عمل تخلیه آب ( Blow Down ) میسر بود، اما در واحدهای یکبار گذر چون مقدار آب تزریق شده در سیکل زیاد نیست و کیفیت سیال از یک منطقه تا منطقه دیگر عوض می شود، هر گونه جرم خارجی موجب بروز رسوباتی در این طرح ها می گردد.
از آنجا که طراحان در این طرح ها به نرم بودن آب، بهای بیشتری می دهند، در جداکننده پسماند آب اندکی از سیکل تخلیه می شود یا هنگام ماندگاری در سیستم، به طرف Flash Tank رفته، ضمن تبخیر و پس دادن هوای موجود خود به اتمسفر، به سمت Start up Condensate Tank رفته و قبل از Dearator وارد سیکل شود و اگر آب خیلی نرم نباشد، از سیستم تخلیه می گردد.
یکی از بهترین طرح های یکبار گذر و زیر نقطه بحرانی انجام شده در ایران، نیروگاه شهید سلیمی نکا است که در جدول شماره ۲-۱ مشخصات آن آورده شده است:
مشخصات بخار \درصد بخار
| T In ( H.P.T ) c° | P In( H.P.T ) ata | P Economizer ata | |
| ۵۳۰ | ۶۴٫۱ | ۴۸٫۵ | ۱۵۴MWe به ۳۵% |
| ۵۳۰ | ۹۰٫۱ | ۱۱۴٫۲ | ۲۲۰MWe به ۵۰% |
| ۵۳۰ | ۱۳۴ | ۱۸۱٫۵ | ۳۳۰MWe به ۷۵% |
| ۵۳۰ | ۱۸۱ | ۲۵۶ | ۴۴۰MWe به ۱۰۰% |
جدول ۲-۱ : مشخصات ترمودینامیکی بخارساز نیروگاه شهید سلیمی نکا
چنانکه از جدول شماره ۲-۱ پیداست، نقطه در ۱۰۰% پاریا در ۴۴۰MW فشار اکونومایزر بالاتر از فشار بحرانی است. در این گونه واحدها برای بارگیری، بیشتر نیاز به افزایش آنتالپی بخار است. چون h تابعی از P و T است. T در ورودی توربین به علت محدودیت متالوژیکی ثابت می ماند.
دیگ های پکیج
دیگ های پکیج یا دیگ های آپارتمانی که در واقع مجموعه ای از تجهیزات یک موتورخانه حرارت مرکزی است، اغلب از پره های کوچک چدنی تشکیل می شوند. این دیگ ها همچنین شامل پمپ، منبع انبساط، مشعل، کویل های آب گرم مصرفی و وسائل کنترل می باشند.
برای ظرفیت های حرارتی پایین، در این دیگ ها از مشعل های آتمسفریک و برای ظرفیت های بالا از مشعل های با هوای اجباری استفاده می شود. برای استفاده از این دیگ ها نیازی به موتورخانه نبوده و می توان آنها را داخل آشپزخانه یا مکان های مشابه نصب کرد.
نحوه انتخاب دیگ
برای انتخاب دیگ برای یک ساختمان یا یک نیروگاه و یا هر مکان صنعتی، بایستی ابتدا ظرفیت حرارتی دیگ آبگرم مورد نیاز را محاسبه کنیم . ظرفیت حرارتی دیگ آبگرم از رابطه زیر به دست می آید:
QB = Q1+ Q2 + aQ1+ bQ1
که در آن Q1 بار حرارتی ساختمان، Q2 ظرفیت حرارتی آبگرمکن، a ضریب لوله کشی و b ضریب پیش راه اندازی سیستم است. ضریب a برای در نظر گرفتن اثر اتلاف حرارت در مسیر لوله های ارتباطی از موتورخانه تا محل وسائل پخش حرارت استفاده شده است.
ضریب b فقط برای ساختمان های با بهره برداری منقطع که نیاز به گرم کردن سریع دارند، استفاده می شود. مقدار ضریب a به فاصله موتورخانه از محل وسائل پخش حرارت، نوع عایق لوله ها و اینکه چه طولی از لوله ها از محیط های سرد عبور می کنند، بستگی دارد و اغلب مقدار آن بین ۵ تا ۱۵ درصد انتخاب می شود.مقداری که معمولاً برای ضریب b انتخاب می شود، حدود ۲۰ درصد می باشد.
البته لازم به ذکر است، در صورتی که قرار است ساختمان در آینده گسترش پیدا کند، لازم است بار آن در محاسبه ظرفیت حرارتی دیگ منظور شود. بطور کلی طراحی موتورخانه ساختمان هایی که پیوسته امکان گسترش آنها وجود دارد، بصورت مدولار می باشد تا امکان توسعه سیستم به سادگی انجام پذیر باشد.
انواع بویلرها و عملکرد آن ها در این فصل مورد بررسی قرار گرفت (قسمت دوم).
این سری مقالات با عنوان روش های پیشگیری از رسوبات بویلر بصورت کامل مورد بررسی قرار می گیرد به همین دلیل لازم است برخی اصول اولیه درباره بویلرها را بدانیم که در 5 قسمت دسته بندی شده است.
برای دریافت قیمت و خرید دیگ بخار با شماره 09388037440 تماس بگیرید.
تشریح اجزای دیگ بخار (قسمت سوم)
4 روش پیشگیری از رسوبات بویلر (قسمت چهارم)
