در مقاله زیر به شرح انواع بویلرها خواهیم پرداخت صنایع شیمیای منابع انرژی زیادی را مصرف میکنند تا بتوانند انرژی مورد نیاز خـود را بـهمنظور انجام بسیاری کارها از جمله به کار اندازی تجهیـزات فرآینـدی، تـأمین انـرژی حرارتـیمورد نیاز برای گرم کردن مواد و… تأمین نمایند. منابع انرژی حال حاضر در جهان عمدتاً شامل سوخت های فسیلی، آب و باد، انرژی خورشیدی، انرژی زمین گرمایی و انرژی هسته ای هستند.
از این میان، سوخت های فسیلی بیش از سایر منابع انرژی برای تهیه حاملهای انـرژی مـورداستفاده قرار می گیرند. معمولاً در صنایع شیمیایی، حامل های انـرژی بـرق و بخـار مـی باشـند.
بهترین راه برای آنکه بتوان از انرژی سوختهای فسیلی برای تولید برق و بخـار اسـتفاده کـرد،سوزاندن آن است. در فرآیند سوختن، انرژی درونی به صورت حرارت آزاد می شود و بـه شـکلتابش و جابجایی به محیط انتفاق می یابد. بویلرها و توربین های گـازی، تجهیزاتـی هسـتند کـهمعمولاً برای تولید بخار و بـرق از طریـق سـوزاندن سـوخ تهـای فسـیلی مـورد اسـتفاده قـرارم یگیرند
بخار
بخار فاز گازی مایع آب است. در واقع چنانچه آب در فشـار اتمسـفریک گرمـا جـذب کنـد،شروع به جوشش و تولید بخار می نماید. با تبدیل آب بـه بخـار، حجـم آن تقریبـاً ۱۶۰۰ برابـرمی شود و انرژی درونی آن نیز حداقل به میزان ۶ برابر در حالت اشـباع افـزایش مـ ییابـ د. گـازبرخلاف مایع تراکمپذیر است و به راحتی میتوان آن را فشرده نمود. این خصوصیات باعث شده تا برای اولین بار جیمز وات از بخار برای تولید کار مکانیکی استفاده کند. این ابداع آغازی برای استفاده بسیار گسترده بخار در صنعت بوده است. به طور کلی از جمله دلایلی که باعث شده از بخار در صنایع شیمیایی به طور وسیع استفاده گردد، میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
- آب به طور فراوان و ارزان در دسترس بوده و ماده ای بی خطـر و از دیـد محـیط زیسـتیکاملاً بی ضرر می باشد و این یکی از علل استفاده گسترده از بخار در صنایع می باشد.
- بخار اشباع انرژی خود را در دمای ثابت منتقل می نماید و این به مفهوم ایـن اسـت کـهانرژی ذخیره شده در بخار اشباع را میتوان در یک دمای ثابت و بدون آنکـه دمـای آن کاسـتهشود از آن دریافت کرد و تنها اتفاقی که در این حالت میافتد تغییر شکل از حالت بخار به مایع است (گرمای نهان تبخیر).
- در بعضی از فرآیندها بخار به عنوان جزئی از فرآیند وارد می گردد. از آن جمله می تـوانبه برج های عریانسازی با بخار اشاره نمود.
- انتقال حرارت از بخار به اجسام دیگر به راحتی و به وسیله قرار دادن یک کویل در داخل و یا یک ژاکت حرارتی در اطراف آن صورت می گیرد. یکنـواختی در انتقـال حـرارت از مزایـایاستفاده از بخار است.
- در مواقعی که از بخار برای حرارت دادن استفاده میگردد، کنترل دمای آن راحت بوده و عموماً این کار با استفاده از یک شیر کنترل که میزان دبی بخار عبوری را تغییر میدهد، صورت م یگیرد.
از بخار با فشار بالا می توان به کمک توربین بخار، کار تولید کرد. این کار را مـی تـوان بـرایچرخاندن دستگاه های دواری مانند پمپ، کمپرسور، ژنراتور و… استفاده نمود.
مصارف
همانطور که گفته شد بخار دارای مصارفی چون گرم کردن، انجام برخی فرآیندها، به حرکت درآوردن توربین بخار و غیره می باشد. در این میان به حرکت درآوردن توربین به منظور تولیـدتوان، یکی از کاربردهای مهم بخار به شمار می رود. در حین این عملیات، انرژی بخار در توربین به کار تبدیل شده و بخار پس از عبور از پره های توربین، در یک کندانسور سرد شده و کندانس می شود. از آنجایی که آبی که برای تولید بخار استفاده می شود باید عاری از ناخالصی هـا باشـد،هزینه زیادی برای تولید آن صرف می شود. به همین دلیل بخـار کنـدانس شـده را دوبـاره واردسیستم آب بویلر می نمایند تا مجدداًٌ به بخار تبدیل شود. به عبارت دیگر قسمت زیادی از تولید بخار و مصرف آن در واحدهای شیمیایی به صورت سیکل بسته است. یعنی بخـار در بویلرهـایواترتیوب یا HRSG تولید می شود و در توربین های بخار و مبدل های گرمـایی و غیـره مصـرفشده و پس از کندانس شدن به بویلر باز می گردد.
برای تولید بخار، در مشعل های بویلرها، انرژی تابشی از شـعله بـه سـطوح داخلـی محفظـهاحتراق انتقال می یابد و از تماس گازهای حاصل از احتراق با بخش های دیگر بویلر، حـرارت بـهصورت جابجایی به لوله ها و نهایتاً آب درون آنها انتقال مییابد.
بویلرهای فایرتیوب
معیارهای زیادی برای تقسیم بندی بویلرها وجود دارد، مهم ترین معیار تقسیم بندی بویلرهـابر اساس محتویات داخل لولـه هـا مـی باشـ د. بویلرهـای فـایرتیوب و واترتیـوب دو نـوع از ایـنتقسیم بندی مهم هستند. عموماً بویلرهای فایرتیوب از یـک محفظـه احتـراق و دیـگ تشـکیلشده اند. دیگ حاوی لوله هایی است که از یک طرف به آن وارد و از طرف دیگر خارج میگردند ،بدین ترتیب بخش از فضای دیگ توسط لوله ها اشغال شده و باقی فضای موجـود بـرای آب درنظر گرفته شده است. گازهای گرم حاصل از سوزاندن سوخت در محفظه احتراق وارد این دسته لوله ها شده و از سراسر دیگ عبور میکنند. در این حین انتقال حرارت بین گازهـای عبـوری ازلوله ها و آب درون دیگ سبب گرم شدن آب و تولید بخار می گـرد د. در بویلرهـای فـایر تیـوبنمی توان قطر محفظه احتراق را بزرگ طراحی نمود، طول محفظه احتراق را نیز از حدی بیشتر نمی توان در نظر گرفت. چرا که با وجود محدودیت قطر محفظه احتراق، قطر و طول مخروطـیمقدار مشخصی خواهد بود. از طرفی فاصله نوک شعله تا انتهای محفظه احتراق به جهت ایجـادانتقال حرارت همگن و نیز پرهیز از ایجاد تنش حرارتی و نیز ذوب دیواره، دارای حد مشخصـیاست. این مشکل در نوع دیگر بویلرها که واترتیوب هستند به علت ساختارمکعبی شکل محفظه احتراق و نحوه قرارگیری، تعدد و نوع متفاوت مشعلها کاسته میشود. در شکل ۱-۱() نمونه ای از بویلر فایرتیوپ نشان داده شده است.
بویلرهای واترتیوب
عموما این نوع بویلرها، از محفظه احتراق، لوله های بالارونده، پایینرونده، مخازن بخار و لجن تشکیل شده اند و تفاوت عمده آنها با نوع فایرتیوب در این است که آب در داخل لوله ها جریـانداشته و جریان گاز کرم در خارج لوله ها می باشد. واترتیوب ها ساختمان پیچیده تری نسـبت بـه نوع فایرتیوب دارند و بر اساس نـوع لولـه هـا، تعـداد و نحـوه قرارگیـری مخـازن بخـار و لجـنساختارهای متنوعی را شامل می شوند. این بویلرها بـه چنـدین روش دسـته بنـدی میگیرند
بویلرهای واترتیوب می تواند دارای اشکال مختلفی بر حسب اجزاء و قسمت های مربـوط بـه آنباشد. به عنوان مثال لوله های آنها می تواند خمیده یـا صـاف بـوده، نـوع گـردش آب بـه شـکل طبیعی یا اجباری و موقعیت درام آنها عرضی یا طولی باشد. عموماً درام های عرضی در بویلرهای با ظرفیت بالاتر مورد استفاده قرار می گیرد، از بین دو بویلر لوله آبـی کـه ظرفیـت یکسـانی درتولید بخار دارند، آن بویلری که دارای درام عرضی می باشد، اندازه کوچک تری نسـبت بـه نـوعبادرام طولی دارد. نوعی از بویلرهای واترتیوب فاقد درام بوده و معروف به بویلرهای تـ کمسـیرهیا یکبار گذر (once through) میباشند. در این بویلرها آب در لوله ها فقط یک بار عبور می کند و معمولاً در تمامی فشارها و دماها کار می کنند، ولی در فشارهای بالا و فوق بحرانی اقتصادی تر هستند.
معمولاً بویلرهای واترتیوب در ظرفیت های بالاتری نسـبت بـه بویلرهـای فـایرتیوب سـاختهمی شوند. در یک سطح انتقال حرارت تابشی یکسان، محفظه احتراق مکعبـی ماننـد بویلرهـایواترتیوب در مقایسه با شکل استوانه ای محفظه احتراق فایرتیوبهـا، بـه فضـای کمتـری بـراینصب نیاز دارد. به عبارت دیگر در یک بویلر واترتیوب کوچک تر می توان سطح انتقال حرارتیـتمساوی با یک بویلر فایرتیوب بزرگ تر ایجاد نمود. از طرفی شکل محفظه احتراق مکعبی شکل ،آزادی عمل بیشتری را در نحوه آرایش و جانمایی مشعل ها در مقایسه با فایرتیوبها در اختیـارطراح قرار میدهد.
بویلرهای واترتیوب توانایی تولید بخار با فشار بالاتر را نسبت به بویلرهای فایرتیوب دارند. در بویلرها، محفظه در برگیرنده مخلوط آب و بخار باید مقاومت مکانیکی لازم جهت تحمل فشار را داشته باشد. از آنجایی که لوله های با قطر کمتر تحمل فشـار بسـیار بـالاتری را در مقایسـه بـالوله های با قطر بیشتر و البته ضخامت یکسان دارد، بویلرهـای واترتیـوب علـی رغـم پیچیـدگیبیشتر، برای تولید بخارهای فشار بالا مورد استفاده قرار می گیرد. معمولاً هر چقـدر فشـار بخـارتولید بویلرهای واترتیوب بیشتر باشد، قطر لوله های آن نیز کمتر می باشد.
بر اساس صاف یا خمیده بودن لوله ها
بویلرهای با لوله های صاف که ممکن است به صورت شیبدار و یا عمودی باشند.
نوع شیب دار دارای یک درام بوده که به صورت افقی نسبت به زمین قرار دارد. از زیـر درام،هدرهایی به نام Downtake که لوله های شیبدار از آنها منشعب مـ یگردنـد، خـارج مـ یشـو د. لوله های شیب دار صاف بوده و با شیبی در حدود ۵ تا ۵۱ درجه نسبت به حالت افقی در انتها و در ارتفاعی بالاتر به هدرهایی دیگر به نام uptake متصل مـی گردنـ د. محفظـه احتـراق در زیـرلوله های شیب دار قـرار گرفتـه و آبـی کـه از طریـق هـدرهایDowntake پـایین آمـده و واردلوله های شیب دار شده را گرم میکند، از این رو بخشی از آب درون لوله هـای شـی بدار پـس ازجذب گرما، تبدیل به بخار شده و به واسطه گردش طبیعی از طریق هـدرهایuptake مجـدداًوارد درام می شود.
لوله های صاف را نمی توان در قسمت هایی از دیـواره کـه نیـاز بـه قرارگیـری اجزایـی چـونمنهول، مشعل ها و یا peepHole م یباشد، نصب نمود. لذا با توجه به این موضوع و نیز وضعیت قرارگیری لوله ها و مشعل ها در محفظه احتراق بخش های زیادی از محفظه احتراق فاقد لولـه و یا به عبارتی سطوح انتقال حرارت برای دریافت گرما می باشد. از این رو مقدار زیادی از حـرارتتولید شده از طریق تابشی بدون جذب مناسب اتلاف می گردد و راندمان بویلر پـایین مـی آیـ د. برای حل این مشکل نیاز به لوله های خمیده ای بود که بتواند با خمیده شدن و استفاده بهینه از فضای محفظه احتراق، سطح بیشتری برای انتقال حرارت تأمین نماید.
در نوع عمودی، از دسته لوله هایی که به صورت عمودی بر روی محفظه احتراق قرار دارنـد،استفاده شده است. جریان گازهای حاصل از احتراق از لابلای لوله ها عبور کرده و سبب تبـدیلآب به آب گرم و بخار می گردد. این بویلرها غالباً در اندازه های کوچک بوده و عمـلاً کاربردهـایصنعتی ندارند و بیشتر از چوب به عنوان سوخت استفاده می کنند.
برای حل مشکل اتلاف حراتری ناشی از پایین بودن سطوح انتقال حـرارت در بویلرهـای بـالوله های صاف، نوعی از بویلرهای واترتیوب با لوله های خمیده طراحی و ساخته شدند. به عنوان مثال در محلی که منهول وجود دارد، لوله ها با خمیده شدن فضای منهول را ایجـاد مـ ی:ننـد وبدین ترتیب از حذف لوله ها در این بخش جلوگیری می گردد. در مجموع شـکل خمیـده شـده لوله ها سبب شده تا انعطاف پذیری بیشتری در آرایش و جانمایی در سـطوح انتقـال حـرارت درمحفظه احتراق به دست آید.
عموماً اجزاء این نوع بویلرها نیز مشابه بویلرهای با لوله های صاف می باشد و عمـدتاً اجزائـیچون مخازن بخار و لجن، لولههای بالارونده و پایین رونده و غیره در آنها وجود دارد.