چهارشنبه , خرداد ۲۹ ۱۳۹۸
خانه / مقالات مهندسی مکانیک / بویلر – دیگ بخار

بویلر – دیگ بخار

بویلر، یک محفظه بسته است که در آن انتقال حرارت از اشتعال سوخت به سیال عامل  صورت می گیرد تا سیال به حالت گازی تبدیل شود.

از بویلر در مصارف نیروگاهی، کشاورزی، صنایع شیمیایی و حتی مصارف معمول به عنوان یک گرمکن استفاده می شود.

دو نوع بویلر مدرن با توجه به روش انتقال گرما از گازهای حاصل به آب تغذیه وجود دارد .

  •   Fire tube
  •  Water tube

 

بویلر فایرتیوب و بویلر واترتیوب

 

در بویلر نوع  Fire tube لوله های جریان که از مقداری لوله موازی و متصل تشکیل شده در معرض گازهای حاصل از کوره قرار داده می شوند. سپس لوله ها از میان بدنه بویلر که آب تغذیه را هم شامل می شوند گذر می کنند که در نتیجه توسط آب پوشیده می شوند.

در یک بویلر نوع Water tube شرایط برعکس نوع Fire tube است. 

مقدمه درباره بویلر

مصرف انرژی در جهان طی سی سال اخیر، دو برابر شده است و به ازای هرسال با %۱.۵ افزایش مواجه است. این در حالی است که انتظار می رود ذخایر نفت و گاز زمین طی ۱۰۰سال آینده و ذخایر زغال سنگ طی ۵۰۰سال آیند به اتمام برسند.

همین امر سبب شده تا کشورهای مختلف به دنبال راهکاری برای کاهش این مصرف باشند. در فنلاند، %۵۰ از توان الکتریکی تولیدی، در نیروگاه بخار تولید می شود. اما دلایل متعدد دیگری نیز برای رشد استفاده از نیروگاه های بخار وجود دارند شامل:

  • هزینه الکتریسیته تولیدی این نوع نیروگاه پایین است.
  • تکنولوژی این فرآیند در دسترس بوده و سالهاست مورد استفاده قرار می گیرد.
  • نیروگاه های خورشیدی و بادی هزینه بسیار بالاتری در مقایسه با نیروگاه بخار دارند.
  • میزان تخریب زیست محیطی سوختن زغال سنگ در نیروگاه بخار طی سالهای اخیر به لطف توسعه تکنولوژی احیا NOx و ، SOx بسیار کاهش یافته است.
  • ضایعات و بیوسوخت ها می توانند در بویلر سوزانده شوند.

چه کسی دیگ بخار ( بویلر ) را اختراع کرد؟

جیمز وات بویلر

تاریخچه بویلر های مولد بخار به سالهای ۱۷۰۰ و اوایل ۱۸۰۰ میلادی برمی گردد که دیگ بخار ساده ای که آب را به بخار تبدیل می کردند گسترش یافتند.

آب بالای محفظه احتراق و جدای از آن بود . جیمز وات تغییرات مهمی در اختراع نیوکومن به عمل آورد که می توان او را مخترع اولین ماشین بخار دانست.

درباره اینکه چه کسی اولین دیگ بخار را گسترش داد خیلی بحث شده ، و اکثرا به استیون ویلکاکس و جورج بابکاک اشاره می کنند.

 

 

 

 

اساس کار بویلر ها

در متون قدیمی، بویلر، یک محفظه بسته است که در آن انتقال حرارت از اشتعال سوخت به سیال عامل (معمولا آب) صورت می گیرد تا سیال به حالت گازی تبدیل شود.

به شکل ساده می توان گفت که بویلر، یک مبدل گرمایی بین آتش و آب است. که یکی از قسمت های نیروگاه بخار است که بخار را تولید کرده تا حرارت و گرما در فرآیند انتقال یابند. برای یک بویلر، می توان کاربرد زیر را ذکر کرد.

  • یک قسمت از موتور حرارتی
  • تولید گرما از فرآیند احتراق
  • انتقال گرما از طریق سیال عامل
  • سیال عامل و واسطه های گرمایش به وسیله ی دیواره ها از یکدیگر جدا شده اند.

نمای داخلی بویلر

 

بویلر بخار شامل یک سیستم پیچیده برای تولید بخار و استفاده از آن در توربین و یا یک فرآیند صنعتی می شود.

حالت های مختلف فازی برای این انتقال گرما وجود دارد.(بویلر، سوپرهیتر و بازیاب) همچنین سیستم های ثانویه مختلفی نیز به کار میروند مانند تغذیه سوختی.
در کوره بویلر، عمل احتراق صورت می گیرد، بنابراین گرما در کوره تولید می شود. سوخت مورد استفاده در بویلر شامل انرژی پیوندهای شیمیایی (مانند انرژی حاصل از زغال سنگ، ضایعات و بیوسوخت) یا انرژی هسته ای است.

یک بویلر کاربردی بایستی به گونه ای طراحی شود تا بیشترین مقدار انرژی آزاد شده در احتراق را جذب کند. این گرما به وسیله تابش، رسانش و همرفت انتقال می یابد. میزان گرمایی که توسط هر کدام از این روش ها منتقل می شود وابسته به نوع بویلر، سطح طراحی شده برای انتقال حرارت و سوخت کوره است.

یک بویلر ساده

برای توضیح در مورد اصول کار بویلر، یک حالت بسیار ساده را در نظر می گیریم که بویلر یک محفظه ساده ی پر از آب باشد.

بویلر ساده

احتراق و اشتعال سوخت، گرما تولید می کنند، که به محفظه منتقل شده و سبب تبخیر آب می شود. این بخار تولیدی می تواند از درون یک لوله به بیرون بویلر راه پیدا کند. یک لوله دیگر آب را به درون محفظه وارد میکند، تا آب تبخیر شده را جبران کند.

برای اینکه فشار در بویلر ثابت باقی بماند (تا فرآیند پایدار داشته باشیم) بایستی جرم بخار خروجی و آب ورودی به بویلر یکسان باشد. اگر بخار با دبی جرمی بیشتری نسبت به دبی جرمی ورودی، از بویلر خارج شود، فشار در بویلر کاهش می یابد و برعکس اگر دبی جرمی ورودی آب بیشتر از دبی جرمی خروجی بخار باشد، فشار افزایش می یابد.

اگر سوخت بیشتری مشتعل شود، گرمای بیشتری نیز تولیدشده و به آب منتقل می شود، بنابراین بخار بیشتری در خروجی حاصل خواهد شد و فشار در درون بویلر افزایش می یابد.

 

انواع بویلرها

(The Plain Cylinder Boiler) بویلر سیلندر شکل ساده

اولین پیشرفت در طراحی دیگ بخار با اختراع بویلر سیلندر شکل آغاز شد. همچنان که از نامش پیداست این بویلر طراحی و ساختار ساده ای دارد.

مشاهده  مبدل حرارتی - دانلود رایگان کتاب فارسی Sadik_Kakac(ترجمه دکتر سپهر صنایع)

این دیگ بخار از یک محفظه سیلندر شکل فلزی با انتهای کروی شکل به صورت افقی تشکیل شده. بعضی از این بویلرها تا ۱۲ متر طول داشتند. نصف سیلندر از آب پر شده و آتش یک سمت آن روشن می شود.

بویلر ساده

گازهای داغ حاصل از اشتعال، همچنان که در تصویر پیداست ابتدا زیر سیلندر به سمت انتهای سیلندر حرکت می کنند.

این کانال “دودکش” نام دارد و از آجر در سه سمت بویلر قرار دارد. پهلوی چپ و راست سیلندر نیز دو دودکش دیگر وجود دارد که به هم مرتبط هستند.

گازهای مشتعل شده ابتدا زیر سیلندر جریان پیدا کرده و سپس به پهلوی چپ و راست سیلندر رفته و در نهایت با طی مسافت ۳۶ متر (سه بار ابتدا تا انتها) از دودکش خارج می شود.

در طول این پروسه با تبادل حرارت گازهای داغ با پوسته بیرونی سیلندر آب درون آن داغ شده و تبدیل به بخار می شود.

سرعت اشتعال سوخت در داخل بویلر به وسیله خفه کن یا دمپر دودکش کنترل می شود.

اگر چه طراحی این دیگ بخار  نسبت به بویلر های قبلی کارآیی و راندمان بیشتری داشت و بیشتر از صد سال استفاده شد ، ولی دو عیب اساسی داشت.

اولین عیب ایجاد رسوب و لکه که بعد از بخار شدن آب در کف سیلندر ایجاد می شد و مانند یک عایق عمل می کرد طوری که مانع انتقال حرارت به آب داخل سیلندر می شد.

این بدان معنی بود که با گذشت زمان برای به دست آوردن مقدار یکسان بخار ، نیاز به سوخت بیشتری بود. که باعث می شد بویلر اغلب نیاز به تمیز کردن داشته باشد.

عیب اساسی دوم که خیلی خطرناک بود عبور گازهای داغ طی ۳۶ متر دودکش بود. با عبور گازها از ابتدای مسیر تا انتهای مسیر و خنک شدن گاز طی مسیر ، سه طرف (پایین و پهلوی چپ و راست) سیلندر با دماهای متفاوتی گرم می شدند و همین اختلاف دما با ایجاد استرس بزرگی در فلز ، منجر به انفجار بویلر و سیلندر می شد.

The Cornish Boiler  بویلر کورنیش

استفاده از بویلر بخار در سیستم حمل و نقل اگر چه خطر داشت ولی امکان پذیر شد.

تا آن زمان طراحان دیگ بخار دودکش را در زیر سیلندر آب قرار می دادند. برای انتقال حرارت بیشتر در این نوع طرح ، حاصل از اشتعال را چندین بار دور سیلندر آب می چرخاندند. اما در این بین بعضی نوابغ این ایده را مطرح کردند که محفظه دودکش درون سیلندر آب باشد.

بویلر کورنیش
دیگ بخار کورنیش چندین تغییر در طراحی ایجاد کرد. اول اینکه دودکش درون یک لوله به قطر ۹۰ سانتیمتر یا بیشتر درون محفظه استوانه ای آب قرار گرفت که دور تا دور آن را آب فرا می گرفت. قرار گرفتن تمام سطح دودکش باعث بهترین انتقال حرارت می شد.

مانند بویلرهای سیلندری ساده ، آتش و گازهای داغ سه بار مسیر زیرین و پهلوهای چپ و راست را طی می کند. انتهای صاف سیلندر دیگر تغییر طراحی بود. بویلر کارنیش در مقایسه با بویلر استوانه ای معمولی با تبادل گرمایی بهتر ، بخار بیشتر در فشار بیشتر و زمان کمتر تولید می کرد.

چیزی که در این طراحی نادیده گرفته شد، انبساط فلز دودکش در اثر حرارت بود. تیوب داخلی با حرارت بسیار بالایی که داشت در اثر انتقال حرارت تغییر طول می داد و باعث ایجاد برآمدگی در انتهای بویلر می شد.
این چهار مکان انتقال حرارت در این نوع بویلر باعث ایجاد استرس در دو طرف بویلر میشد که “متلاشی شدن دودکش” نام گرفت که نوعی دیگر از انفجار دیگ بخار هست.

انفجار دیگ های بخار معمول بود. اما پیشرفت در طراحی هر دو عامل کارایی و ایمنی را تغییر داد.

 

بویلر کورنیش

The Lancashire Boiler بویلر لانکاشر

ساختار بویلر لانکاشر شبیه نمونه قبلی آن یعنی کورنیش بود البته با برخی اصلاحات که در ایمنی و کارآیی آن را خیلی بهبود بخشید.

اولین پیشرفت، تعداد کوره ها بود. هر بویلر دو کوره داشت که کاملا مجزا که درکنار یکدیگر قرار داشتند. هر کوره سیستم دودکش و تخلیه مجزا داشت.

 

بویلر لانکاشر

سوخت کوره که معمولا چوب یا زغال هست ،مقداری آب دارد که برای سوختن موثر، این آب باید تبخیر شود. در زمانی که سوخت حرارت داده می شود ، کوره مقداری سرد شده و باعث کمتر شدن جریان هوا به داخل کوره خواهد شد.

مشاهده  مبدل حرارتی پوسته و لوله

کم شدن جریان هوای ورودی باعث کمتر گرم شدن کوره خواهد شد. و این خنک شدن جزئی اجازه می دهد که فلز دودکش استرس زیادی در انتهای بویلر نداشته باشد. همچنین باعث کاهش انتقالحرارت آب داخل بویلر شده و مقدار بخار را کاهش می دهد.

هر کوره زمان اشتعال متفاوتی دارد. این بدان معناست که یک کوره همیشه بیشترین حرارت را تولید می کند و آن حرارت پروسه اشتعال را در هر دو کوره افزایش می دهد. چیزی شبیه دمیدن در ذغال که سرعت سوختن را افزایش می دهد.
مکش هوای بیشتر اجازه می دهد اشتعال با سوخت کمتری ایجاد شود. این احتراق در دودکش زیرین سیلندر نیز جریان پیدا می کند و انتقال حرارت را افزایش می دهد.
بویلر لانکاشر سه دودکش دارد. اولین دودکش همان تیوب فلزی هست که توسط آب احاطه شده . گازهای داغ از دودکش اول به سمت دودکش دوم که زیر سیلندر قرار دارد هدایت می شود و سپس به پهلوهای بویلر که دودکش سوم هست جریان می یابد.
هر کوره سیستم مجزای خود را دارد. گازهای باقی مانده در کوره سمت راست با گازهای کوره سمت چپ مخلوط نمی شوند تا زمانی که به تقاطع دودکش می رسند.
تغییر مهم دیگر ایجاد تیوب های حاوی آب داخل کوره که باعث انتقال حرارت بیشتر میشود. این لوله ها مانند یک سفت کننده کوره را در مقابل انبساط و متلاشی شدن تقویت می کند. استفاده از این تیوب ها باعث بخار بیشتر و فشار سریعتر و بیشتر خواهد شد. فشار بخار بیشتر باعث قدرت و کارآیی بیشتر موتور و سرعت بیشتر آن می شود.
افزایش کارایی بویلرها باعث کوچک شدن اندازه آنها شد.  تغییر اساسی دیگر بهبود اتصالات و استحکام بویلر در مقابل تغییر حالت انتهای بویلر یا انفجار آن شد.
مشکل اساسی این نوع بویلر ها وقتی پیش می آمد که سطح آب درون دیگ کاهش پیدا می کرد و فشار به طور وحشتناک بالا میرفت که گاهی منجر به انفجار دیگ بخار می شد. برای جلوگیری از انفجار بویلر سوپاپ ایمنی سطح آب اختراع شد.

سوپاپ اطمینان توسط یک شناور که با تغییر سطح آب شیر را باز یا بسته می کند ، کنترل می شود. اما این به تنهایی کافی نبود و سوپاپ ایمنی فشار بخار نیز طراحی شد.

زمانی که فشار بویلر از یک حد معین بیشتر می شد، این سوپاپها باز شده شده و باعث کاهش فشار سیستم می شدند.

بویلر لانکاشر

 

 

The Upright “Fire Tube” Boilers  بویلر فایرتیوب ایستاده

مخزن استوانه ای در این نوع بویلر به صورت ایستاده هست. کوره داخل مخزن میباشد و همه جداره کوره به جز کف توسط آب احاطه شده. چندین لوله وجود دارد که گازهای داغ کوره را به سمت دودکش منتقل می کنند.

این لوله ها سرتاسر توسط آب احاطه شده اند و زمانی که گازهای داغ داخل انها جریان دارند با آب داخل مخزن تبادل گرمایی می کنند.

 

بویلر فایر تیوپ

اشکالی که این نوع بویلر دارد این هست که گازهای داغ تنها یک بار مسیر را طی می کنند و تبادل گرمایی تنها یکبار با این گازها امکان پذیر هست. بیشتر حرارت از طریق دودکش هدر رفته و خارج می شود.

سایز کوچک و سرعت آن باعث شد که خیلی سریع رشد کند . در سالهای ۱۸۰۰ میلادی این نوع بویلر همه جا یافت می شد. از این بویلر برای کشتی های بخار کوچک و گرم کردن خانه استفاده می کردند.

بویلر اسکاتلندی The Scotch Boiler

بویلر اسکاتلندی

 

 

مهندسان و طراحان دیگ بخار مدت ها بود متوجه ارتباط مقدار حرارت تولید شده در کوره و قابلیت جذب حرارت آب شده بودند، گسترش سطح تماس با آب منجر به تبادل حرارتی بیشتر می شد.
مانند بویلر های کورنیش و لانکاشر ، دیگ بخار اسکاتلندی دارای کوره داخلی بود . استفاده از صفحه های موج دار و پیچ ها باعث استحکام آن می شود.

این بویلر ها از نوع فایرتیوب افقی بودند . یک دیگ بخار با قطر سه متر و طول ۶ متر به صورت معمول دارای ۰۶۰لوله آتشخوار بوده. این لوله ها بالای محفظه کوره و زیر آب قرار می گرفتند.

گازهای داغ از کوره اصلی که با آب احاطه شده به انتهای طرف دیگر می رفتند و از آنجا وارد محفظه ای می شدند که اجازه می داد مستقیما به درون لوله های آتشخوار جریان یابند. و در انتها از دودکش خارج شوند.
قابلیت تولید سریع بخار و جمع و جور بودن آن باعث کاربرد وسیع این نوع  در کشتی و صنعت شد.

 

بویلر استفاده شده در کشتی های بخار

 

انواع بویلر بر اساس محتوای لوله

بویلر های فایرتیوب

نوع متداول دیگ بخار از نوع فایر تیوب یا دیگ بخار لوله آتشی می باشد. در این نوع دیگ های بخار ، حرارت از میان لوله هایی که توسط آب احاطه شده اند می گذرد و با انتقال حرارت بخار تولید می شود.

بویلر های فایرتیوب

 

امتیاز کاربران: ۵ ( ۱ رای)

مطلب پیشنهادی

شیر دیافراگمی

شیر دیافراگمی (diaphragm valve)

شیر دیافراگمی (diaphragm valve) یا شیر غشایی شامل بدنه شیر ، دو یا چند پورت، یک …

بوستر پمپ

بوستر پمپ

بوستر پمپ برای تامین فشار مصرفی در ساختمان ها استفاده می شود. يكی از مشکلاتی …

دیدگاهتان را بنویسید

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