بویلر دیگ بخار تولید بخار

انواع و طبقه بندی دیگ بخار
انواع و طبقه بندی دیگ بخار
مرداد ۱۴, ۱۳۹۷
نمونه موتور خانه
نصب دیگ آب گرم
مرداد ۲۴, ۱۳۹۷

بویلر دیگ بخار تولید بخار

بویلر، یک محفظه بسته است که در آن انتقال حرارت از اشتعال سوخت به سیال عامل)معمولا آب( صورت میگیرد تا سیال به حالت گازی تبدیل شود. از بویلر در مصارف نیروگاهی، کشاورزی، صنایع شیمیایی و حتی مصارف معمول به عنوان یک گرمکن استفاده میشود. دو نوع بویلر مدرن با توجه به روش انتقال گرما از گازهای حاصل به آب تغذیه وجود دارد .

بویلرهای نوع Fire tube و نوع Water tube. در نوع Fire tube لوله های جریان که از مقداری لوله موازی-متصل تشکیل شده در معرض گازهای حاصل از کوره قرار داده میشوند. سپس لولهها از میان بدنه بویلرکه آب تغذیه را هم شامل میشوند گذر میکنند که در نتیجه توسط  آ ب پوشیده میشوند. در یک بویلر نوع Water tube شرایط برعکس نوع Fire tube است .در این گزارش به معرفی برخی جزئیات این دو نوع اصلی بویلر خواهیم پرداخت. همچنین نکته قابل توجه در مورد بویلرها استفاده از پیشگرمکنها است. پیشگرمایش آب قبل از ورود به اواپوراتور میتواند بازده دستگاه را تا حد زیادی بالا ببرد. توضیحاتی از پیشگرمایش نیز قسمت مهم دیگری از این گزارش است. و درنهایت به جمعبندی از پارامترهای مهم و تاثیرگذار در عملکرد بهتر بویلر خواهیم پرداخت.

مصرف انرژی در جهان طی سیسال اخیر، دو برابر شدهاست و به ازای هرسال با 1.5% افزایش مواجه است. این در حالی است که انتظار میرود ذخایر نفت و گاز زمین طی 100 سال آینده و ذخایر زغال سنگ طی 500 سال آیند به اتمام برسند. همین امر سبب شده تا کشورهای مختلف به دنبال راهکاری برای کاهش این مصرف باشند. در فنلاند ،50% از توان الکتریکی تولیدی، در نیروگاه بخار تولید میشود. اما دلایل متعدد دیگری نیز برای رشد استفاده از نیروگاههای بخار وجود دارند شامل:

 

  • هزینه الکتریسیته تولیدی این نوع نیروگاه پایین است.
  • تکنولوژی این فرآیند در دسترس بوده و سالهاست مورد استفاده قرار میگیرد.
  • نیروگاههای 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 بیوسوختها میتوانند در بویلر سوزانده شوند.

اساس کار بویلر

در متون قدیمی، بویلر، یک محفظه بسته است که در آن انتقال حرارت از اشتعال سوخت به سیال عامل)معمولا آب( صورت میگیرد تا سیال به حالت گازی تبدیل شود. به شکل ساده میتوان گفت که بویلر، یک مبدل گرمایی بین آتش و آب است. بویلر یکی از قسمتهای نیروگاه بخار است که بخار را تولید کرده تا حرارت و گرما در فرآیند انتقال یابند. برای یک بویلر، میتوان موارد زیر را ذکر کرد:

 

  • بویلر یک قسمت از موتور حرارتی به شمار میآید.
  • گرما در فرآیند احتراق1 تولید میشود.
  • یک سیال وجود دارد که گرمای تولیدی را منتقل میکند.
  • سیال عامل و واسطههای گرمایش به وسیلهی دیوارهها از یکدیگر جدا شدهاند.

در یک متن صنعتی-مهندسی، موضوع بویلر بخار)و یا بویلر تولید بخار( شامل یک سیستم پیچیده برای تولید بخار و استفاده از آن در توربین و یا یک فرآیند صنعتی میشود. حالتهای مختلف فازی برای این انتقال گرما وجود دارد.)بویلر، سوپرهیتر و بازیاب( همچنین سیستمهای ثانویه مختلفی نیز به کار میروند مانند تغذیه سوختی2.

در کوره بویلر ،عمل احتراق صورت میگیرد بنابراین گرما در کوره تولید میشود. سوخت مورد استفاده در بویلر شامل انرژی پیوندهای شیمیایی)مانند انرژی حاصل از زغال سنگ، ضایعات و بیوسوخت( یا انرژی هستهای است. انرژی هستهای در حال حاضر مورد بحث ما نیست. یک بویلر کاربردی بایستی به گونهای طراحی شود تا بیشترین مقدار انرژی آزاد شده در احتراق را جذب کند. این گرما به وسیله تابش، رسانش و همرفت انتقال مییابد. میزان گرمایی که توسط هر کدام از این روشها منتقل میشود وابسته به نوع بویلر، سطح طراحی شده برای انتقال حرارت و سوخت کوره است.

3. یک بویلر ساده

برای توضیح در مورد اصول کار بویلر، یک حالت بسیار ساده را در نظر میگیریم که بویلر یک محفظه سادهی پر از آب باشد.)تصویر1( احتراق و اشتعال سوخت، گرما تولید میکنند، که به محفظه منتقل شده و سبب تبخیر آب میشود. این بخار تولیدی میتواند از درون یک لوله به بیرون بویلر راه پیدا کند. یک لوله دیگر آب را به درون محفظه وارد میکند3 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 مییابد و برعکس اگر دبی جرمی ورودی آب بیشتر از دبی جرمی خروجی بخار باشد، فشار افزایش مییابد. اگر سوخت بیشتری مشتعل شود، گرمای بیشتری نیز تولیدشده و به آب منتقل میشود، بنابراین بخار بیشتری در خروجی حاصل خواهد شد و فشار در درون بویلر افزایش مییابد.

نمونه ساده شبیه سازی شده بویلر

یک سیکل نیروگاهی ساده

بویلر بخار، بخار مورد نیاز مصرفکنندگان گرما و حرارت)اغلب برای توان دهی به موتور( را تامین میکند. در نیروگاه بخار، لز یک توربین بخار برای استخراج کردن گرما از بخار و تبدیل آن به کار استفاده میشود. این توربین، اغلب یک ژنراتور را به حرکت در میآورد که کار را به الکتریسیته تبدیل میکند. بخاری که در توربین به مصرف میرسد میتوان به وسیله میعان کردن و بازگرداندن آن به بویلر، بازیافت کرد. کندانسور1 وسیله ای است که فرآیند میعان در آن صورت میگیرد .کندانسور به عنوان یک مبدل حرارتی که معمولاً در مجاورت آب دریا ویا یک رودخانه قرار دارد)برای سرد کردن بخار( عمل میکند. در یک نیروگاه  فشاری که در آن بخار تولید میشود بالا است اما زمانی که بخار برای چرخاندن توربین به کار میرود، فشار به میزان محسوسی افت میکند. به همین خاطر از یک پمپ برای جبران این فشار استفاده میشود، چراکه کار لازم برای متراکم کردن2 یک مایع بسیار کمتر از کار لازم برای متراکم کردن یه گاز است. پمپ در سیکل، بعد از کندانسور قرار میگیرد و فشار مایع را با مقدار کمی کار تامین میکند. فرآیندی که توضیح داده شد، مربوط به سیکل رنکین3 است که پایه و اسا نیروگاههای بخار مدرن به شمار میآید)تصویر2(.

سیکل رنگین دیگ بخار

بازده کارنو

هنگام بررسی فرآیند گرمایش ویا سیکل قدرت توجه به بازده کارنو که از قانون دوم ترمودینامیک نتیجه میشود ،ضروری است .بازده کارنو، میزان حداکثر بازده گرمایی سیستم را تحت سیکل قدرت بازگشتپذیر میان دو منبع گرمایی با دماهای TH و TC )برحسب کلوین

 

بازده کارنو

به عنوان یک مثال کاربردی از استفاده این تئوری، سیکل رنکین را در نظر بگیرید. دمای منبع گرم همان دمای بخار تولیدی و دمای منبع سرد برابر دمای آب خنککننده که از رودخانه یا دریا تامین میشود، است)تصویر4(. بنابراین از رابطه )1( میتوان برای حداکثر بازدهی نظری که از توربین تامین میشود، استفاده کرد.

بازده کارنو

– نمایی از بازده کارنو در سیکل رنکین

اگر دمای منبع سرد)آب خنک کننده رودخانه( را ثابت در نظر بگیریم، میتوان منحنی بازده ماکزیمم را به عنوان تابعی از دمای بخار خروجی از بویلر رسم کرد. در صورتی که دمای آب خنککننده در حدود C°20 )293 کلوین( در یک روز گرم تابستان باشد، از روی منجنی نتیجه میشود که: هرچه اختلاف دما بیشتر باشد، بازدهی گرمایی بیشتر خواهد بود)تصویر5(.

همچنین هیچ فرآیندگرمایی، به صورت کاملاً بازگشت پذیر نیست .بسیاری از فرآیندها را با تقریب مناسبی میتوان به عنوان فرآیند بازگشتپذیر در نظر گرفت.

بازده کارنو در سیکل رنکین

ویژگیهای آب و بخار

آب یکی از سیالات کاربردی و ارزان است که به عنوان سیال عامل بهکار میرود. هنگامی که آب میجوشد و به بخار تبدیل میشود، حجم آن تقریباً 1600 برابر میشود و نیرویی تولید میکند که مانند باروت، انفجاری است. نیروی تولیدی از این انفجار، منبع قدرت موتور بخار است. همچنین بویلر را به یک وسیله بسیار خطرناک و حساس تبدیل میکند که باید با دقت فراوان با آن رفتار کرد.

مقدار نظری گرمایی که در بویلر از اشتعال سوخت به سیال عامل منتقل میشود برابر با اختلاف گرما بین خروجی و ورودی بویلر است. برای آنکه بتوانیم تجهیزات تولید بخار را طراحی کنیم، نیازمندیم تا ویژگیهای بخار سیال عامل، استفاده از جداول بخار اشباع و مافوق گرم را بشناسیم. این موضوعات در بررسی بخار ، به طور خلاصه در این بخش ذکر میشوند

هنگامی که صحبت از تغییر فاز آب به میان میآید فقط مایع-بخار و تغییر فاز مایع-بخار مطرح است. به همین دلیل این تغییرات فاز، مبنای تکنولوژی کل بویلر به حساب میآیند.

 

7. جوشش آب

آب و بخار به طور معمول به عنوان حمل کنندگان گرما در سیستمهای گرمایی استفاده میشوند. بخار، فاز گازی آب ،نتیجه اضافه شدن مقدار قابل توجهی گرما به آب برای تبخیر شدن است. این فرآیند بویلر شامل سه مرحله است:

  1. پیش گرمایش1: اضافه شدن گرما به آب که سبب افزایش دمای آن تا نقطه جوش میشود.
  2. تبخیر2: ادامهی افزودن گرما که سبب تغییر فاز میشود.
  3. سوپرهیتینگ3: گرما به بخار در دمای بالاتر از دمای جوش آب داده میشود.

در مرحله اول و سوم، افزودن گرما با افزایش دما همراه است اما تغییر فاز وجود ندارد، در حالیکه در مرحله دوم داستان به شکل دیگر است و با وجود دادن گرما تنها تغییر فاز مشاهده میشود و دما ثابت باقی میماند. در تصویر6، قسمت چپ ،نشاندهنده مرحله پیشگرمایش، قسمت میانی نشاندهنده مرحله تبخیر و قسمت سوم نشاندهنده مرحله سوپرهیتینگ است. زمانی که تمام آب بتخیر شده است به بخار حاصل بخار اشباع خشک4 گویند. اگر بخار در ورای دمای اشباع گرما داده شود، دما دوباره شروع به افزایش میکند و بخار حالت قبل به بخار مافوق گرم تبدیل میشود. ای بخار مافوق گرم با رطوبت صفر تعریف میشود بدین معنی که هیچ گونه آبی در خود ندارد و کاملاً بخار است .

جوشش آب

تبخیر و سوپرهیتینگ

در طی تبخیر، مقدار آنتالپی به شدت افزایش مییابد. اگر آب را در فشار اتمسفر از حالت مایع اشباع تا بخار اشباع گرما دهیم، آنتالپی kJ/kg 2260 افزایش مییابد. هنگامی که آب به حالت بخار اشباع خشک رسید، بخار دارای میزان قابل توجهی گرمای نهان)وابسته به گرمای داده شده به فرآیند در فشار و دمای ثابت( است. بنابراین علی رغم فشار و دمای یکسان بین حالت مایع و بخار، میزان گرما در حالت بخار در مقایسه با مایع بسیار بیشتر است.

اگر بخار بیشتر از حالت بخار اشباع خشک گرما دریافت کند، دما دوباره بالا میرود و ویژگیهای بخار به حالت گاز کامل میل میکند.بخار با دمای بیشتر از دمای اشباع، بخار مافوق گرم نام دارد. که دارای هیچ گونه طوبتی نیست و نمیتواند مایع شود تا زمانی که به نقطه بخار اشباع در همان فشار برسد. فرآیند سوپرهیتینگ برای کاهش و برطرف کردن امکان میعان در لولههای بخار، کاهش رطوبت در توربین)در نتیجه عمر بیشتر توربین( و افزایش بازدهی نیروگاه کاربردی است.

 

 

9. تاثیر فشار بر نقطه جوش

میدانیم که آب در دمای C° 100و فشار اتمسفر میجوشد و تبخیر میشود. در فشارهای بالاتر از اتمسفر، دمای جوش بیشتر میشود. برای مثال در فشار bar10، دمای جوش به C°184 میرسد. فشار و دمای گفته شده برای نقطه جوش، فشار و دمای اشباع نام دارند. در طی تبخیر، این دو پارامتر ثابت هستند اما اگر فرآیند در درون یک محفظه بسته صورت گیرد فشار و در نتیجه دما افزایش مییابد.

در تصویر7 میتوانیم ببینیم که اگر فشار آب از یک فشار معین بالاتر رود، نمودار قطع خواهد شد. دلیل این است که مرز بین فاز مایع و گاز در این فشار نامشخص است. نقطهای که فازهای مختلف از بین میروند نقطه بحرانی1 نام دارد.

تاثیر فشار بر نقطه جوش

مقدمات اشتعال

فرآیند احتراق، یک فرآیند با سرعت بسیار بالا و واکنشی شیمیایی در دمای بسیار زیاد است. احتراق به هم پیوستن سریع یک عنصر یا یک ترکیب با اکسیژن است که اساساً به تولید گرما ختم میشود، در واقع یک انفجار کنترل شده است

احتراق زمانی اتفاق میافتد که یک عنصر موجود در سوخت با اکسیژن ترکسیب شود و گرما تولید کند. تمام سوختها، چه جامد، چه مایع و چه گاز که شامل ترکیبات کربن و هیدروژن باشند، هیدروکربن نام دارند. سولفور هم در بین این دسته مواد قرار میگیرد.

محصولات احتراق

هنگامی که اکسیژن و هیدروژن با هم ترکیب شوند ، آب و گرمای بسیار حاصل میشود و اگر کربن و اکسیژن با هم ترکیب شوند، مشتقات کربن مثل کربن مونواکسید و کربن دی اکسید حاصل میشود  هنگامی که گوگرد و اکسیژن با هم ترکیب شوند، گرما و گوگرد دی اکسید حاصل میشود. این واکنشهای شیمیایی هنگام احتراق سوخت در کوره اتفاق میافتند که در آنجا هوای)اکسیژن( کافی برای احتراق سوخت فراهم شده است. در واقع مقدار بسیار کمی از کربن آزاد شده واقعا  از بین میرود چرا که دمای شعلهی کوره به ندرت از دمای تبخیرکربن بالاتر میرود. بیشتر کربن با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل کربن دی اکسید میدهد و به صورت یک دود مشهود از طریق سیستم تهویه دفع میشود. رنگ زرد شدید شعله کوره ها به دلیل ذرات کربن در حال سوختن موجود در آن شعلهها است . همانطور که در هنگام معرفی این بخش گفتیم ، بازده سوختن هیچگاه 100% نیست و همه سوختن ها مقداری رطوبت یا موارد غیر قابل سوختن را در خود شامل میشوند :

  • بهترین نوع زغال20 % مواد غیر قابل احتراق دارد.
  • نفت های رایج 10% مواد غیر قاب سوختن دارند.
  • گاز طبییعی بین 1-15% ) بسته به نوعش ( مواد غیز قابل سوختن مثل گاز های نیتروژن یا کربن دی اکسید دارند.

 

12. انواع سوختن

سه نوع از سوختن وجود دارد:

  • سوختن بی نقض1 وقتی اتفاق میافتد که تمام سوخت با استفاده از تنها هوای تئوری بسوزد، ولی همانطور که گفتیم در یک بویلر نمیتوان به سوختن کامل دست یافت.
  • سوختن کامل2 وقتی اتفاق میافتد که تمام سوخت با استفاده از هوای کمی بیشتر از مقدار تئوری هوای مورد نیاز برای احتراق سوخت، بسوزد. سوختن کامل همیشه هدف ماست چراکه با سوختن کامل، سوخت با حداکثر بازده ممکن میسوزد و کمترین میزان آلودگی را دارد.
  • سوختن ناقص3 هنگامی اتفاق میافتد که تمام سوخت نسوزد، که نتیجه آن تولید دوده و دود میشود.

احتراق سوختهای جامد

سوخت های جامد را میتوان به چند گروه تقسیم کرد: زغال رده بالا، زغال رده پایین و زغال سنگ نارس .مرسومترین روش های احتراق ، روش های pulverized firing ،cyclone firing ،grate firing و fluidized bed firing هستند .همانطور که در پایین گفته شده، pulverized firing در بویلر های صنعتی از 60 MW تا 6000MW استفاده میشود. روشgrate firing  )تصویر9( برای احتراق بیوسوختها در محدوده 5MW  تا 600MW  و روش cyclone firing در مقیاسهای کوچک 6 MW-3  استفاده میشود.

. احتراق زغال

نفت و گاز همیشه با استفاده از یک بارنر محترق میشوند اما 3 راه مختلف برای احتراق زغال وجود دارد :

  • احتراق نوع fluidized bed)تصویر9(
  • احتراق نوع fixed bed )بویلرهای grate(
  • احتراق نوع entrained bed احتراق زغال پودرشده(
  • در احتراق fixed bed در این نوع تکههای بزرگ زغال در پایین محفظه احتراق با هوای کم تلاطم میسوزند.

بویلرهای stoker هم از این روش استفاده میکنند بویلرهای مقیاس بزرگتر که از روش پودرکردن زغال استفاده میکنند در در نیروگاهها استفاده میشوند که در آن ها معمولا از روش entrained bed استفاده میشود. در روش fluidized bed سوخت در یک بستر سیال وارد میشود و سپس سوزانده میشود.

. انواع اصلی بویلرهای مدرن

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

.Water tube نوع

در نوع Fire tube لولههای جریان که از مقداری لوله موازی-متصل تشکیل شده در معرض گازهای حاصل از کوره قرار داده میشوند. سپس لولهها از میان بدنه بویلرکه آب تغذیه را هم شامل میشوند گذر میکنند که در نتیجه توسط آ ب پوشیده میشوند. حرارت گازهای حاصل از طریق لولههای وارد آب تغذیه میشود بنابراین آب بهتدریج گرم شده و به بخار تبدیل میشود. یک راه ساده برای به خاطر سپردن این امر این است که بگوییم بویلرهای Fire tube در لولهها آتش میگیرند.[1]

 

 

 Water tube و Fire tube مقایسه .16

به طور خلاصه میتوان تفاوت های اصلی این دو بویلر را در جدول1 نمایش داد.

تفاوت Water tube و Fire tube

انواع بویلر Fire tube

این نوع بویلرها را به دو دسته طبقهبندی میکنند:

  1. 1. بویلرهای با کوره در بیرون

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

  •  Horizontal Return Tubular (H.R.T.)
  •  Short Fire Box
  • Compact

External Furnace Steel Fire tube Boilers

این گونه بویلرها را در سه مدل ساخته میشوند:

  • Horizontal Tubular
  • .است 17bar در فشار نهایی 5m³/hr که دارای بخاردهی :Vertical Tubular
  • Residential Boiler: که در تیپ های لوله افقی و قائم جهت تولید آب داغ ساخته می شوند و در هر ساعت حداکثر تبادل حرارتی ممکن 13500BTU است و نوع لوله قائم آن برای تولید 5m³/hr بخار اشباع ساخته می شود.[2]

در تصویر10 یک بویلر Fire tube به همراه قسمتهای مختلف آن به نمایش درآمده است.

 

در یک بویلر نوع Water tube شرایط برعکس نوع Fire tube است. آب در تعداد زیادی  لولههای موازی گردش میکند، لولهها در میان جریان گازهای حاصل از کوره قرار داده شدهاند و به وسیله حرارت ناشی از همان گازها گرم میشوند.

در یک بویلر مدرن، لولههایی که آب در آنها گردش میکنند به هم جوش داده شدهاند و دیوارههای کوره را تشکیل میدهند، بنابراین به طور مستقیم در معرض گازهای حاصل از احتراق و گرمای آنها قرار میگیرند)تصویر11( همانند نوع Fire tube  نوع Water tube  به جای آتش در لولهها آب دارد و به همین دلیل این نام را به خود اختصاص دارد.

بویلرهای صنعتی معمولا از نوع Water tube هستند چرا که بویلرهای نوع Fire tube  ظرفیت محدودی دارند و فقط در سیستمهای کوچک قابل استفادهاند.

Water tube بویلر

مدل مبدل حرارتی

در بیان کلیاتی از مبدلها باید گفت ،اگر در یک بویلر مدرن از کوره استفاده شود، معمولا ساختار کوره و اواپوراتور یکی است. دیواره های درونی کوره از لولههای بویلرکه آب تغذیه در آن گرمای حاصل از احتراق را جذب میکند و بخار میشود تشکیل میشوند. در بررسی پروسههای بویلر، آن را به صورت یک مجموعه از مبدلهای حرارتی که نشان دهنده گرمای انتقالی از گازهای حاصل به بخار-آب  هستند، مدل بندی میکنند.

برای مثال یک کوره که به صورت یک مبدل حرارتی نشان داده شده است) تصویر12( از جریانهای زیر تشکیل میشود: سوخت)در دمایی که در آن انبار شده است(، هوای مورد نیاز برای احتراق)در دمای محیط( و آب تغذیه به عنوان جریانهای ورودی و مخلوط گازهای حاصل از احتراق و هوا و بخار به عنوان جریان خروجی.

مبدل حرارتی کوره دیگ بخار

  1. اصول مبدلهای حرارتی

وظیفه مبدل حرارتی، انتقال حرارت از یک جریان ماده ) مایع یا جریان گاز ( به دیگری – بدون هیچ برخورد فیزیکی مثل ترکیب دو جریان- است. هنگامی که از دو جریان که در یک مبدل حرارتی با هم برهمکنش میکنند)انتقال حرارت( صحبت میکنیم معمولا منظورمان یک جریان گرم و یک جریان سرد است، جریان گرم جریانی است که به جریان سرد حرارت میدهد و جریان سرد جریانی است که حرارت جریان گرم را جذب میکند، بنابراین در یک بویلر گازهای حاصل جریان گرم)منبع گرما( و جریان آب/ بخار، جریان سرد)جاذب گرما( هستند.

دو نوع اصلی از مبدلهای حرارتی وجود دارد، مبدل های نوعparallel flow و نوعcounter flow  در مبدل نوع اول دو مایع در یک جهت و در نوع دوم دو مایع در خلاف جهت همدیگر حرکت میکنند. ترکیب این دو نوع)مانند مبدلهای cross flow یا انواع پیچیدهتر( را میتوان به صورت تقریبی به صورت یک مبدل نوع counter flow در نظر گرفت.

 

 

  1. نمودار هایT-Q

یک وسیله کاربردی برای طراحی مبدلهای حرارتی نمودار T-Q  است. این نمودار از 2 محور تشکیل شده است:

دما)T( و حرارت انتقالی)Q( جریانهای گرم و سرد توسط دو خط در نمودار نشان داده شدهاند. اگر مبدل از نوع جریان همسو باشد، دو خط درجهت یکسانی حرکت میکنند)تصویر13(. اگر مبدل از نوع جریان ناهمسو باشد خطها در جهت مخالف همدیگر قرار میگیرند)تصویر14( طول خطهای بر روی محورQ، مقدار حرارت انتقالی و بر روی محورT  افزایش/کاهش دمایی را که ناشی از انتقال حرارت است، نشان میدهند.

تصویر 13 – نمودار  T-Q یک مبدل جریان همسو                   تصویر 13 – نمودار T-Q یک مبدل جریان ناهمسو

از آن جایی که حرارت همواره به صورت خود به خودی از دمای بالاتر به پایینتر میرود)بنابر قانون دوم ترمودینامیک(  انتقال حرارت مورد نیاز فقط در صورتی به خودی خود اتفاق میافتد که جریان گرم از جریان سرد، گرمتر باشد و به همین دلیل است که اختلاف دمای این دو جریان هیچ وقت نباید، به دلیل این که  هیچ ماده ای  ضریب انتقال حرارت بی نهایت ندارد  ،از دمای بحرانی ((Tpinch که برابر حداکثر اختلاف دمای ممکن بین دو جریان سرد و گرم است، تجاوز کند.

اگر دو جریان به طور مستقیم با هم برخورد داشته باشند ،دو خط از لحاظ افقی باید با هم تنظیم شوند-که در این صورت گرم کردن و سرد کردن خارجی مورد نیاز است-که بتوان محدوده ایجاد شده به وسیله دمای بحرانی را رعایت کرد)تصویر16(.

بویلر دیگ بخار تولید بخار

مدل بخارساز دارای بازیاب حرارتی 

به عنوان یک مثال از ساخت یک مدل مبدل حرارتی، یک بخار ساز با بازیاب حرارتی(HRSG) به عنوان یک مبدل حرارتی ساخته شده است .HRSG در واقع یک بویلر بدون کوره است-HRSG حرارت مورد نیاز خود را از گازهای حاصل از سوخت محترق شده در در واحد خارجی به دست میآورد- از آن جایی که در HRSG فقط با 2 جریان سروکار داریم )گازهای حاصل به عنوان جریان گرم و بخار / آ ب به عنوان جریان سرد( میتوان گفت که سادهترین نوع مبدل حرارتی یک بویلر مدرن است. به دلیل این که حرارتی دهی به آب در 3 مرحله انجام میشود )تصویر6( مدل مبدل حرارتی معمولا به حداقل3 بخش تقسیم میشود.

با واحد انتقال حرارت-که بخارشدن در آن)اواپوراتور( انجام میگیرد-شروع میکنیم، با فرض این که  آ ب به صورت مایع اشباع وارد اواپوراتور شده و به صورت گاز اشباع خارج میشود حرارت انتقالی از گازهای حاصل برابر با حرارت مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار است. تغییر فاز )جوش آب( در یک دمای معین اتفاق میافتد و لذا دمای آ ب / بخار درحین انجام عملیات تغییر نمیکند.

برای پیشگرمایش آب قبل از ورود به اواپوراتور به یک واحد مبدل حرارتی دیگر نیاز است، به این واحد اکونومایزر1گفته میشود و یک مبدل حرارتی از نوع تقاطع جریانی است و بعد از اواپوراتور در جریان گازهای حاصل قرار داده میشود چرا که اواپوراتور نسبت به اکونومایزر به دمای بیشتری نیاز دارد.

واحد مبدل حرارتی که بخار اشباع را به حالت مافوقگرم میبرد سوپرهیتر خوانده میشود، سوپر هیتر بخار اشباع را تا بالاتر از دمای اشباع حرارت میدهد تا وقتی که به حداکثر دمای مورد نیاز در طراحی برسد و بنابراین به بیشترین دمای ممکن نیاز دارد و لذا در جریان گازهای حاصل جلوتر از بقیه واحدها قرار داده میشود حداکثر دمای بویلر توسط ویژگیهای مادهای که دیوارههای سوپرهیتر با آن ساخته شدهاند  تعیین میشود. مواد مقرون به صرفه امروزی میتوانند تا دمای550- 600 را تحمل کنند.

نتیجه یک مجموعه مبدلهای حرارتی یک HRSG)با یک سطح فشار( میشود که میتوان آن را در تصویر16 دید و نمودار  T-Q  آن هم در تصویر17 نمایش داده است.

مبدل حرارتی دیگ بخار

  1. مدلهای مبدل حرارتی بویلر های کورهدار

اکونومایزر- اواپوراتور- همواره محدودکننده واحد انتقال حرارت آب/ بخار است. سطوح دما و اختلاف دما بین گازهای حاصل و مایع قیود پیکر بندی را تعیین میکند. تغییرات احتمالی بخش انتقال حرارت معمولا توسط تغییر وضعیت گازهای حاصل کنترل میشود.در یک بویلر کورهدار لازم است که سرد کردن به خوبی انجام شود. دمای اجزا نباید از 600c بیشتر شود به همین دلیل بخش اواپوراتور چرخه آب/بخار درون دیوارههای کوره قرار داده میشود که بخارشدن، خنکسازی لازم را برای کوره که گرمترین بخش بویلر است، فراهم میکند.به دلیل این که کوره داخل بویلر است، گازهای حاصل با دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد به دست میآیند بعد از این که گازهای حاصل حرارت خود را صرف ایجاد بخار میکنند، هنوز هم تا حد زیادی گرم هستند برای خنککردن بیشتر گازها در راستای افزایش بازده، میتوان از این گازها برای پیش گرم کردن هوای مورد استفاده برای احتراق استفاده کرد، به وسیلهای که برای این منظور استفاده میشود پیش گرم کن هوا[1] گفته میشود .

در نتیجه یک مدل مبدل حرارت برای بویلرهای کوهدار ساخته میشود) مثل بویلر PCF ، بویلرGrate(.[1]

[1] Air preheater

  1. نتیجه گیری

نیاز مردم به انرژی رو به افزایش است و با توجه به محدود بودن سوختهای تجدید ناپذیر، بویلرهای بخار به علت قابل اطمینان و به صرفه بودن روز به روز بیشتر در صنایع مورد توجه قرار میگیرند .منظور از بویلر بخار یا همان بخارساز تمام سیستمی است که برای انتقال حرارت به آب جهت تولید بخار مورد نیاز توربینها و … مورد استفاده قرار میگیرد. سازوکار بویلرها به صورت ساده به این گونه است که در محفظه احتراق، سوخت محترق میشود و گرمای آن به آب انتقال داده میشود در نتیجه آب بخار میشود، بسیار مهم است که توسط تغییر میزان سوخت و آب ورودی فشار بویلر ثابت بماند. سه عملکرد کلی در بویلر صورت میگیرد که به ترتیب افزایش دمای آب تا قبل از نقطه جوش یا پیشگرمایش ، تغییر فاز آ ب از مایع به بخار یا بخار شدن و افزایش دمای بخار یا سوپرهیتینگ نامیده میشوند. منظور از سوختن واکنش شیمیایی سریعی است که گرما و نور ایجاد میکند. بیشتر سوختها ترکیباتی از کربن و هیدروژن هستند که هیدروکربن خوانده میشوند .هیچ سوختی کامل نیست و همه سوختها مقداری مواد غیر قابل اشتعال در خود دارند با توجه به نحوه سوختن، احتراقها به 3 دسته ایده آل-کامل و ناقص طبقهبندی میشوند. بویلرها به دو نوعWater- tube  و Fire tube طبقهبندی میشوند که در نوع Water tube لولههای آب به طور مستقیم در معرض گازهای حاصل از احتراق قرار میگیرند و برای معیارهای صنعتی مناسبتر هستند. مبدلهای حرارتی به دو نوع کلی  جریان همسو و ناهمسو تقسیم میشوند که انواع پیچیدهتر از ترکیب اینها حاصل میشوند. در بویلرها پیشگرمایش آب قبل از ورود به اواپوراتور میتواند بازده دستگاه را تا حد زیادی بالا ببرد.

  1. مراجع
  2. Tier, S. (2002), “Basics of Steam Generation”, Energy Engineering and Environmental Protection Publication, Steam Boiler Technology eBook.

مهدوی، ع).1384(. “بررسی عملکرد انواع دیگهای بخار و روشهای طراحی، نصب، راه اندازی و کنترل آنها”، پایاننامه کارشناسی، دانشگاه علم و صنعت، واحد اراک، اراک

دیدگاهتان را بنویسید

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

Call Now Buttonتماس - بخش فروش