توربولاتور در دیگ های بخار

دیگ آب داغ و بویلر بخار لوله آتشی (فایرتیوب)  یکی 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 ۶۵ تا ۸۵ درصد است.

در واقع ۱۵ تا ۳۵ درصد انرژی وارد شده به بویلر به هدر می رود. راهکارهای مختلفی جهت بازیافت حرارت از دودکش پیشنهاد شده اند که تاکنون 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 کردن آب یا هوای ورودی به بویلر است.

در استفاده از توربولاتور هدف اصلی دستیابی به روشی است که میزان انتقال حرارت از دود به آب داخل بویلر افزایش یافته، دمای خروجی دود کاهش 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 اکونومایزر و یا پیش گرمکن هوا می باشد.

اهمیت دمای دودکش دیگ بخار

تاریخچه

پیشینه تاریخی استفاده از توربولاتور در بویلرها به سال ۱۸۹۶ در انگلستان باز می گردد. در این سال در تحقیقی نشان داده شد که با استفاده از توربولاتور نوار پیچانده (Twisted tape) می توان مصرف زغال سنگ را در بویلر لوله آتشی ۲/۱۸ درصد کاهش داد.

استفاده از توربولاتور از اوایل قرن بیستم در انگلستان معمول گردید. هم اکنون در بسیاری از کشورهای 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 آمریکا(DOE) نیز در کتاب خود با نام:

improving steam system performance:A Sourcebook for Industry

که مرجع بهره وری سوخت در آمریکا محسوب می شود، تاکید بر استفاده از توربولاتور در پاس ۲ و ۳ بویلرهای لوله آتشی دارد.

افزایش راندمان بویلر – کاهش مصرف انرژی در دیگ بخار

اصول کارکرد توربولاتور

در بویلرهای فایرتیوب، سوخت پس از احتراق در کوره، 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 کنند و سرانجام از طریق دودکش 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 یک جریان توسعه یافته با پروفیل سرعت مستقیم است که لایه مرزی یاد شده که سرعت خیلی کمتری نسبت به جریان اصلی دارد به مثابه یک عایق حرارتی بین جداره لوله و حجم اصلی جریان قرار می گیرد و میزان انتقال حرارت را کاهش می دهد. همچنین دوده وارد لوله می شوند با قرار گرفتن در این لایه کم سرعت، فرصت نشستن بر روی جداره لوله را پیدا می کنند.

توربولاتور وسیله مکانیکی ثابتی است که 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 کند.

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 ۳/۵ برابر افزایش می دهد و در عین حال افت فشار اضافی چندانی به سیستم تحمیل نمی کند (شکل۱).

• نوارخمیده (Bent strip)

افزایش ضریب انتقال حرارت تا ۷ برابر گزارش شده است ولی به دلیل افت فشار بالا(تا حد ۳۰۰ درصد افت فشار لوله خالی ) موارد استفاده از آن محدود است (شکل۲).

• نوار چین دار (Corrugated strip)

افزایش ضریب انتقال حرارت تا ۵ برابر افت فشار بالا (تا حد ۳۰۰ درصد افت فشار لوله خالی) استفاده از آن نیاز به دقت و محاسبات خاص و در صورت امکان تعویض فن دمنده مشعل دارد (شکل ۳).

• فنری(Helix wire)

افت فشار کم، سهولت تولید همراه با ۲ برابر کردن ضریب انتقال حرارت این نوع توربولاتور را در رتبه دوم مصرف پس از نوار پیچانده قرار داده است (شکل ۴).

جنس توربولاتور با توجه به محل قرارگیری آن (پاس۲ یا ۳) و دمای کارکرد 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

شکل ۵ نحوه قرارگیری توربولاتور در لوله و پارامترهای مهم آن را نشان می دهد که در آن d_o قطر خارجی لوله، H گام پیچش ۱۸۰درجه ای نوار و δ ضخامت نوار فلزی است.

ضخامت نوار فلزی بین ۱/۵ تا ۳ 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 کوچکتر 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. نکته محدود کننده در کاهش 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 که چنانچه اختلاف فشار ایجاد شده توسط فن مشعل و دودکش 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 دودکش افزایش و افت فشار مسیر کاهش می یابد. برای بدست آوردن نقطه بهینه طراحی، ضریبی به نام beh تعریف می گردد که حاصل تقسیم میزان افت فشار بر دمای خروجی دودکش 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 تکرار شد به این معنی که با افزایش Y ابتدا beh کاهش می یابد و پس از عبور از یک نقطه مینیمم، حالت صعودی به خود می گیرد (شکل ۶).

ابعاد بهینه توربولاتور

نقطه مینیمم منحنی، ابعاد بهینه توربولاتور است که در آن میزان افت فشار نسبت به افزایش راندمان حداقل است. البته ممکن است در نقطه بهینه طراحی هم مجموعه فن مشعل و دودکش توان غلبه بر افت فشار ایجاد شده را نداشته باشند که 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 کلی آن بین ۲/۶ تا ۳/۴ می باشد. Y عملی که بستگی به افت فشار مجاز دارد عددی بین ۳ تا ۵ است.

نتیجه گیری

استفاده از توربولاتور در کلیه دیگ های فایرتیوب توصیه می شود ولی انتخاب نوع ونیز طراحی آن با ملاحظات فنی دقیق همراه است که باید توسط کارشناسان 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 کاربرد 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 ذکر نام منبع بلامانع می باشد * کپی ممنوع !