انواع بویلرها و عملكرد آنها

طبقه بندی بویلرها (دیگ بخار آبگرم آب داغ روغن داغ)
طبقه بندی بویلرها (دیگ بخار آبگرم آب داغ روغن داغ)
آبان ۱۱, ۱۳۹۷
بویلر های نیروگاهی و انواع آنها
بویلر های نیروگاهی و انواع آنها
آبان ۱۸, ۱۳۹۷

انواع بویلرها و عملكرد آنها

در این مقاله به بررسی انواع بویلر ها و عملکرد آنها و تشریح دیگ های بخار، دیگ روغن داغ – دیگ آبگرم – دیگ فولادی و چدنی ، ازنظرجنس ( دیگهای چدنی و فولادی ) وازنظرمحتوای لوله ها ( دیگهای فایر تیوب و واتر تیوب )، و همچنین دیگهای پکیج خواهیم پرداخت .

دیگ های چدنی :

این نوع دیگ ها از قطعات چدنی مجزایی که به یکدیگر متصل می شوند ، تشکیل می شود که درآنها تعدادی پیچهای 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 جلو گیری از برخورد مستقیم شعله با بدنه پره های دیگ می توان با آجر و خاک نسوز داخل دیگ را آجرچینی کرد .

ظرفیت حرارتی دیگهای چدنی معمولاً پایین بوده و حد اکثر در حدود 700000KCal/hr می باشد .در دیگهای با ظرفیت بالا ممکن است هر پره دیگ از دو قطعه تشکیل شود .

برای سیستمهای حرارت مرکزی با ظرفیت حرارتی بالا می توان از دیگهای چدنی به صورت موازی استفاده کرد . دیگهای چدنی اصولاً برای تولید آب گرم طراحی می شوند و کمتر برای تولید بخار استفاده می شوند . این دیگها معمولاً در فشارهای پایین ( 3-5 اتمسفر) قابل استفاده می باشند . برای سیستمهای با فشار بالاتر ، از دیگهای فولادی استفاده می شود .

پره های دیگهای چدنی به وسیله بوشن به یکدیگر متصل می شوند . با توجه به اینکه پره های این دیگها قابل جدا شدن می باشند ، حمل و نقل آنها درمقایسه 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 تنشهای 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 .

دیگهای چدنی ممکن است ازنوع dry base(که درآنها مشعل درقسمت زیرین قراردارد ) ، wet base ( که در آنها مشعل توسط مجراهای آب محاصره شده است ) ویا wet leg

( که در آنها قسمتهای بالایی و پهلویی مشعل توسط مجراهای آب در برگرفته شده است ) ساخته شوند .در مجموع دیگهای آبگرم چدنی با دارا بودن دوام بیشتر ، قابلیت افزایش ظرفیت دیگ و فشار پایین نسبت به سایر انواع دیگها ، مناسبتر می باشند .

دیگهای چدنی بزرگ در محل موتورخانه جمع و به مرحله بهره برداری می رسند ، اما دیگهای چدنی کوچکتر را می توان درکارخانه تولید کننده ، مونتاژ، تست و بسته بندی کرد .

در شکل پایین نمونه ای از قطعات تشکیل دهنده یک دیگ چدنی نمایش داده شده است :

قطعات تشکیل دهنده دیگ چدنی

دیگ های فولادی

دیگ های فولادی بیشتر برای تولید دیگ آب داغ ( تحت فشار ) و بخار و اغلب در ظرفیت های بالا ، استفاده می شوند . دیگ های فولادی بطور یکپارچه روی یک شاسی ساخته می شوند و بنابراین حمل و نقل آنها بسیار مشکلتر از دیگهای چدنی است . در ساخت دیگ های فولادی از تعداد زیادی لوله های فولادی خاص استفاده می شود

دیگهای فولادی خود به دو نوع تقسیم می شوند :

  • دیگهای Water Tube که در آنها آب در داخل لوله و آتش در اطراف لوله قرار دارد . این نوع دیگها در ظرفیتهای بالا ( تا 60000000Btu/hr تولید بخار تحت فشار 6000Psi ) ساخته می شوند .
  • دیگهای Fire Tube که در آنها آتش در داخل لوله و آب در اطراف لوله قرار دارد و گرم می شود . این نوع دیگها در ظرفیتهای متوسط ( 6000000Btu/hr تولید بخار تحت فشار 6000Psi ) تولید می شوند .

عیب مهم دیگهای 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 دیگها ( بویژه دیگهای از نوع تولید بخار ) ، امکان رسوب گرفتن سطوح مجاور با آب دیگهاست . برای جلوگیری از آن لازم است از دستگاههای سختی گیر با کنترل دقیق استفاده می شود .

در دیگهای فولادی نیز مانند دیگهای چدنی می توان از طرحهای dry base ، wet base  ، wet leg استفاده کرد .

اکثر دیگهای فولادی کوچک که برای گرمایش ساختمان استفاده می شوند ، از نوع dry base با لوله های آتشخوار عمودی می باشند ، اما در دیگهای بزرگتر معمولاً لوله های آتشخوار و لوله های آب بصورت افقی یا مورب قرار دارند .

همانطور که در بحث دیگهای فولادی به آن اشاره شد ، این نوع دیگها خود به دو دسته تقسیم می شوند : دیگهای واتر تیوب و دیگهای فایرتیوب. حال در اینجا به شرح و بررسی این نوع دیگها می پردازیم :

تاریخچه و عملکرد بویلرهای فایر تیوب :

بویلرهای فایرتیوب مبدلهای 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 ، پالایشگاههای نفت ، صنایع فولاد ، صنایع دارویی ، صنایع غذایی و … بکار می روند .بویلرهای فایرتیوب نسبت به نوع واترتیوب ، به ازای مقدار بخار تولیدی و فشار خروجی مشخص ، از قیمت پایین تری برخوردارند .

بویلرهای اولیه از این نوع را که جیمز وات در سال 1788 اختراع کرد ، بصورت محفظه های آهنی استوانه ای شکل ساخته می شدند . درون این محفظه ها با آب پرشده و بدنه آنها 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 ناخالصیهای 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 .

بویلرهای فایر تیوب

ترویتیک انگلیسی و واوان آمریکایی اولین کسانی بودند که احتراق داخلی 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 ناخالصیهای 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 تنشهای حرارتی ناشی ازآن به مراتب از نوع اولیه کمتربود .بهر حال این مشکل سالیان متمادی وجود داشت تا اینکه دانشمندان توانستند روشهای شیمیایی تصفیه آب را بوجود آورند .

در سال 1844 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 1950 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 . شكل 2-3 نمونه ایب از این بویلرها را نشان می دهد .

بویلرهای فایر تیوب

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 تنشهای 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 جنسهای مختلف تشکیل شده بود ، توانست این مشکل را از بین ببرد .

پس از جنگ جهانی دوم و توصعه صنعتی کشورها ، تکنولوژی ساخت بویلرها نیز متحول گشت و بویلرهای ساخته شده از آن پس پکیج هایی هستند که دارای اجزای مختلفی مانند مشعل ، پمپ ، سوپاپهای اطمینان و فن هستند و راندمان آنها به ازای خروجی یکسان بهبود یافته است . در شكل 2-4 یک نمونه از بویلرهای فایر تیوب جدید را ملاحظه می کنید :

 

بویلرهای فایر تیوب جدید

انواع بویلرهای فایرتیوب

این نوع بویلرها را به دو دسته طبقه بندی می كنند

  1. بویلرهای با كوره در بیرون ( External Furnace Steel Fire tube Boilers ) :

در این نوع بویلرها ، كوره در بیرون ردیف لوله های آتش (Fire Tubes ) قرار دارند و گازهای حاصل از احتراق سوخت از درون لوله ها گذر می كند . این نوع بویلرها در سه نوع زیر ساخته می شوند :

  • Horizontal Return Tubular ( H.R.T. ) :

این نوع كه بیش از سایرین مورد مصرف قرار می گیرد ، دارای ماكزیمم فشار كاری 14bar و ماكزیمم بخاردهی 11.5m³/hr است . راندمان آن غالبا 70% و نرخ تولید بخار به واحد سطح ، از 15 الی 25 كیلوگرم در ساعت می باشد .

  • Short Fire Box
  • Compact
  1. بویلرهای با كوره دردرون ( Internal Furnace Steel Fire tube Boilers ) :

این گونه بویلرها را در سه تیپ می سازند :

  • Horizontal Tubular كه خود دارای چهار نوع زیر است :

–  Locomotire Boilers با حد اكثر فشار كاری 17bar و ماكزیمم بخاردهی 6.8m³ بخار اشباع است .

–  Short Fire Box Boilers

–  Compact Boilers كه دارای ظرفیت بخاردهی 0.2 الی 5.6 متر مكعب در ساعت بخار است .

–  Scotch Boilers  كه دارای ماكزیمم فشار كاری 17bar و ماكزیمم ظرفیت بخاردهی 6.8m³/hr است . این نوع بویلرها را در دو تیپ Dry back و Wet back می سازند . اگر پشت كوره این بویلر با مواد نسوز پوشانده شود ، آن را Dry back و اگر با آب احاطه شود آن را Wet back گویند .

  • Vertical Tubular : كه دارای بخاردهی 5m³/hr در فشار نهایی 17bar است .
  • Residental Boiler : كه در تیپ های لوله افقی و قائم جهت تولید آب داغ ساخته می شوند و در هر ساعت حداكثر تبادل حرارتی ممكن 13500BTU است و نوع لوله قائم آن برای تولید 5m³/hr بخار اشباع ساخته می شود .

 تاریخچه و عملکرد بویلرهای واتر تیوب

بویلرهای فایرتیوب مبدلهای 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 .دراین 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 .

درواقع محدودیت های بویلرهای فایرتیوب از نظر تولید بخار پرفشار و دما بالا ، مانند بخاری که برای به گردش در آوردن توربین های بخار نیروگاهها لازم است ، باعث مطرح شدن این نوع بویلرها شده است .

طراحی اولیه بویلرهای واترتیوب به اواخر قرن 18 و اوایل قرن 19 میلادی بر می گردد . ولی بدلیل در اختیار نبودن لوله ها و موادی که قادر به تحمل فشار بالای این بویلرها باشند ، این طرحها هرگز به مرحله اجرا در نیامدند .

استفان ویلکاکس ( Stephen Vilcox ) و جرج بابکوک ( George Babcock ) را می توان پیشگامان طراحی بویلرهای واترتیوب به شکل امروزی دانست . شکل 2-5 بویلر طراحی شده آنها در سال 1877 را نشان می دهد

انواع بویلرها و عملكرد آنها

شکل بالا نمایی از بویلر واترتیوب طراحی شده توسط استفان ویلکاکس و جرج بابکوک

همانگونه که در شکل نشان داده شده ، 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 75mm 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 لخار 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 . این بویلرها قابلیت تولید بخار با فشار اشباع 100bar و بیشتر را دارا می باشند .در شكل های 2-6 و 2-7  نمونه های دیگری از بویلر های واترتیوب نشان داده شده است .

انواع بویلرها و عملكرد آنها

انواع بویلرها و عملكرد آنها

انواع بویلر های واتر تیوب

این نوع بویلر ها به دو دسته طبقه بندی می شوند :

  1. Horizontal Straight Tube Boilers : این نوع بویلر ها دارای بخار دهی 5m³ برای هر متر عرض بویلر است و ابعاد آن از دو متر عرض ، 5 متر ارتفاع ، 5متر عمق تا 5متر عرض ، 5متر ارتفاع و 7متر عمق تغییر می كند .
  2. Bont Tube Boilers : بخاردهی این نوع بویلرها از نوع اول بیشتر بوده و تا میزان 7m³ برای هر متر عرض ، بخار تولید می كند . این نوع بویلرها را طبق شكل در سه تیپ A ، O ، D شكل می سازند .

محسنات بویلرهای واتر تیوب نسبت به بویلر های فایر تیوب از این قرار است :

  • امكان دستیابی به فشارهای بالا و در نتیجه جذب حرارت بیشتر توسط سیال عامل .
  • بیشتر بودن سطوح تبادل حرارتی به علت نامحدود بودن حجم وابعاد كوره بویلر كه در نتیجه ، با افزایش سطوح ، نرخ جذب حرارت زیاد و بخاردهی بیشتر می شود .
  • به علت بزرگ بودن كوره ، امكان دستیابی به فلاكس حرارتی بالا بدون خسته شدن و اكیپ دیدن لوله ها وجود دارد .
  • راندمان بالاتر از 90% ، در صورتی كه در بهترین طرح های بویلرهای فایر تیوب راندمان بیش از 80% نیست .

دیدگاهتان را بنویسید

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

Call Now Buttonتماس - بخش فروش