دیگ بخار و سیر تکامل آن
در ذیل در خصوص دیگ بخار و سیر تکامل آن شرح داده شده که امیدوارم برای خوانندگان عزیز مفید واقع گردد.
بخار به روش گرما و حرارت دادن به آب ایجاد می گردد . عمده هزینه در دیگ بخار با سوخت ( زغال ، نفت و گاز طبیعی ) . سوخت مصرف شده است و به دلیل بازده حرارتی اهمیت زیادی دارد. تهیه بخار جهت مصارف صنایع زیر می باشد.
انتخاب نوع دیگ بخار
انتخاب نوع دیگ عوامل زیادی بستگی دارد منجمله ظرفیت ، فشار و دمای بخار و کیفیت بخار( بخار خشک) نام برد . این محدودیت ها در بین سازنده ها متفاوت است و بستگی به تخصص آنها در تولید انواع دیگ های بخار دارد .
دیگ بخار موردنیاز صنعت
- دیگ بخار لوله آتشی یا شل (Shell)
- دیگ بخار لوله – آبی (Water – Tube)
- دیگ بخار ترکیبی ( ترکیب لوله – آتشی و لوله آبی )
دیگ بخار لوله – آتشی یا شل (Shell) fire tube
دیگ بخار لوله آتشی از اواخر قرن هیجدهم بااشکال گوناگونی برای تولید بخار جهت مصارف صنعتی ساخت و مورد استفاده قرار می گیرفت . دیگ های لوله – آتشی هنوز در صنایع کاربرد دارند و در آنها بخار اشباع با فشار زیاد و ظرفیت مختلف تولید میگردد.
هرچند که اندازه آنها بزرگ تر شده است ولی طرح کلی آنها طی سالهای گذشته تغیر نیافته است .
دیگ لوله – آتشی شکل خاصی از دیگ نوع پوسته ای است . دیگ نوع پوسته ای از ظرف یا پوسته ای بسته و معمولاً استوانه ای که دارای آب است و بخشی از پوسته ،قسمت پایینی آن ، به طور ساده در معرض گرمای شعله یا گازهای حاصل از احتراق قرار می گیرد .
بویلر پوسته ای امروزی به اشکال جدید مانند دیگ الکتریکی تکامل یافته است ، که در آنها گرما توسط الکترودهای مستقر در آب تأمین می شود .
در نوع دیگری از این دیگ بخار، گرما به وسیله انباره و بدین ترتیب تأمین می شود که بخار تولید شده در یک منبع خارجی از داخل لوله های درون پوسته عبور می کند.
در هر دو نوع این دیگ ها ، پوسته در معرض گرمای مستقیم نمی باشد . دیگ لوله – آتشی صورت تکامل یافته ی دیگ پوسته ای است که در آن به جای بخار ، گازهای گرم از داخل لوله ها عبور می کنند .
به دلیل بهبود انتقال گرما ، بازده دیگ لوله آتشی خیلی بیشتر از دیگ پوسته ای اولیه است و مقدار آن به حدود ۷۰% می رسد .دیگ های لوله اتشی بر دو نوع اند : (۱) دیگ با جعبه آتشی (۲) دیگ کششی اسکاچ .
در دیگ با جعبه آتشی ، کوره یا جعبه ی آتشی همراه با لوله های آتشی در داخل پوسته قرار می گیرند .
در دیگ کششی اسکاچ ( شکل ۱-۱) احتراق و در داخل یک یا چند محفظه ی احتراق استوانه ای که معمولاً در داخل و نزدیک به ته پوستی اصلی قرار دارند ، انجام می گیرد .
گازها از قسمت عقب محفظه ها خراج می گردد و پس از تغییر جهت از داخل لوله ای اتشی به طرف جلو می آیند و از طریق دودکش خارج می شوند . در دیگ های کششی اسکاچ نیزاز سوخت های مایع یا گاز استفاده می گردد.
دیگ بخار و سیر تکامل آن
دیگ بخار لوله – آتشی
در دیگ بخار لوله – آتشی ، چون تبخیر آب در آن محفظه صورت می گیرد که دارای آب است ، از این رو این دیگ بخار را برای تولید بخار اشباع به کار می گیرند .
این دیگ بخار با توجه به پایین بودن فشار و ظرفیت بخار بخار تولیدی آنها ، در مواردی مانند گرمایش و به تعداد رو به کاهشی در لوکوموتیوهای راه آهن به کار می روند.
دیگ کشتی اسکاچ
بزرگترین دیگ کشتی اسکاچ که امروزه در ایالات متحده امریکا عرضه می شود قدرتی برابر با ۲۰۰۰ اسب بخار دیگ دارد و دارای دو محفظه احتراق است که درون پوسته ای به قطر و درازی قرار می گیرند .
این دیگ بخار به اشکال عمودی و اکثراً افقی ساخته می شوند ، گرچه پیشرفتهای اخیر احتراق در بسترهای سیال باعث استقبال از دیگ بخار عمودی به خاطر فضای کافی بالای بستر احتراق موجود در کوره شده است .
یکی از عوامل محدود کننده ظرفیت دیگ بخار عمودی به ، محدودیت فضای آزاد شدن بخار در مخزن بخار است .
یک نمونه از دیگ بخار لوله – آتشی افقی در شکل زیر نشان داده شده است . این دیگ بخار شامل کوره افقی یا قطر نیم متر تا یک متر و نود بسته به ظرفیت تولید آن می باشد . برای ظرفیت بالاتر از ( با سوخت نفت یا گاز ) و ( با سوخت زغال ) ، دو کوره مجاور هم درنظر گرفته می شود .
دیگ های لوله – آتشی را به صورت از قبل طراحی شده در ظرفیت های استاندارد سازند ، ولی در موارد ویژه ، دیگ های خاص نیز ساخته می شوند .
چون تمامی سطوح انتقال حرارت ، از جمله مخزن آب و مخزن بخار ، همه بایستی در یک پوسته (Shell) قرار گیرند ، حجم پوسته نسبت به ظرفیت کلی دیگ نسبتاً بزرگ است ، که امکان جواب گویی تولید فوق العاده بخار را در ساعات اوج مصرف فراهم می سازد .
درواقع می توان با افزایش فوق العاده ظرفیت پوسته ، سطوح حرارتی بیشتری را در آن جای داد ، و این امر اساس دیگ های ذخیره حرارتی (Thermal-storage boiler) را تشکیل می دهد .
دیگ بخار و سیر تکامل آن
محدودیتهای دیگ بخار لوله – آتشی :
- اندازه و ظرفیت
- فشار
- سوخت
ظرفیت و اندازه در دیگ بخار لوله آتشی باید متناسب با وضعیت مسیر حمل آن ، از کارخانه تا محل نصب ساخته شود عرض دیگ باید طوری باشد که مشکلی در هنگام حمل آن در جاده ها به وجود نیاید .
این محدودیت باعث محدود شدن طراحی ظرفیت تولیدی به ( سوخت های نفت یا گاز ) و ( سوخت زغال ) برای هر دیگ لوله – آتشی گردیده است . برای قراردادهای خاص ، می توان تسهیلات ویژه ای از اداره کل راه و ترابری در اعمال محدودیت ها کسب کرد .
کوره استوانه ای شکل دیگ بخار لوله – آتشی در معرض متلاشی و درهم پیچیده شدن بر اثر فشارهای خارجی وارد بر آن است . افزایش ضخامت دیواره ی کوره باعث افزایش تنش های حرارتی ناشی از شیب حرارتی دو ظرف فلزی می گردد .
از طرف دیگر استانداردهای ملی حداکثر ضخامت جداره کوره تعیین کرده و طبق فرمولی فشار عملی ایمن را می توان محاسبه نمود . در عمل این فشار بین برای کوره های کوچک تا برای کوره های بزرگ متغیر است بنابراین کوره عامل اصلی محدود کننده فشار در ساخت دیگ های لوله – آتشی به شمار می رود .
از طرف دیگر کوره های ( بازیافت ) ضایعات حرارتی که نیازی به کوره ندارند ، برای تهیه فشارهای بالاتر کاربرد دارند . از این نوع کوره ها در دیگ های ترکیبی هم استفاده می شود .
کوره دیگ بخار لوله – آتشی به علت محدودیت اندازه خود ، در به کارگیری وسایل آتشکاری به خصوص احتراق سوخت های پرحجم نظیر ضایعات نخیلات و تفاله کارخانجات نیشکر ، نیز محدود هستند . ولی می توان از ادوات آتشکاری احتراق سوخت های فسیلی به خوبی استفاده کرد .
دیگ بخار لوله – آبی (Water-tube boiler)
با توسعه صنعت در زمانهای گذشته ، استفاده از دیگ بخار با فشار بالا ضرورت پیدا نمود و به دلیل عدم رعایت ضوابط و نکات مهندسی ، گاهی نیز انفجارهای مصیبت باری به همراه داشته است .
آن زمانها دیگ بخار شامل ظروف تحت فشار با قطرهای زیادی بود که تحت فشار داخلی ، دچار تنش های انبساطی (Tensile Stress) در دیواره های این ظروف می گشت . مقدار این تنش، به تنش حلقه ای (Hoop Stress) معروف است.
در این دیگ بخار ، آب درون لوله ها جاری و گازهای داغ در سطح خارجی لوله ها جریان دارند .
در اواخر قرن هیجدهم و قرن نوزدهم طرح های متعددی از دیگ های لوله – آبی عرضه شد . مشکل امروزه هم وجود دارد محدودیت تهیه لوله و موادی است که قدرت تحمل فشارهای بالا را داشته باشد .
به نظر می رسد طراحان امروزه دیگ های بخار به نوعی مصالحه بین دیگ لوله – آتشی و نوعی دیگ لوله – آبی با لوله های مستقیم که در سال ۱۸۵۶ میلادی توسط استفن ویل کوکس(Stephen wil cox) معرفی و در سال ۱۸۶۷ میلادی توسط جرج بابوک (George Babcock) و استفن ویل کوکس به ثبت رسانده شد و نیز طرحی که در ۱۸۷۷ پیشنهاد شد ( شکل ۲-۳ ) تن درداده اند .
در این طرح آخر ، لوله های آب دیگ ، شیب دار هستند و انتهای آنها در داخل سرشاخه (Headers) منبسط شده اند . این سرشاخه های نیز به نوبه خود در داخل مخزن استوانه ای شکل به نام مخزن بخار ، متصل شده اند . این مخزن محتوی آب و فضایی کافی در بالای آب است که بخارات تولید شده در لوله های دیگ در آن وارد و قبل ا زارسال به مصرف کننده بخار ، آب همراه آنها اجرا می گردد .
سطوح حرارت دیده حاوی گروه یا دسته لوله هایی (Tube Bank) است که قطر داخلی آنها است که تعدادی مقابل شعله و بقیه مسیر گازهای حاصل از احتراق قرار دارند . دیواره های تیغه شکل (Baffles) نیز به منظور ایجاد مسیرهای عبور گازها و در نیتجه افزایش کارآیی سطوح حرارتی ، در بین دسته لوله ها قرار داده می شود ( شکل ۱-۳ ) .
بدین طریق حرارت توسط لوله هایی با سطح مقطع های نازک به آب درون دیگ منتقل می گردد . این سطح مقطع ها قابل مقایسه با ضخامت مخزن دیگ های لوله – آتشی نیستند و بنابراین می توان فشار دیگ را به مقدار قابل توجهی بالاتر از دیگ هادی لوله – آتشی افزایش داد . علاوه بر این چنانچه لوله ای بترکد ، عواقب آن خفیف تر از ترکیدگی کوره یا مخزن دیگ های لوله -آتشی است .
دیگ بخار و سیر تکامل آن
دیگ بخار و سیر تکامل آن
با توجه به چندین طرح فوق فشار دیگ محدود بود و سرانجام دیگ های چند مخزنی با لوله های خمیده تکمیل شد ( در شکل ۱-۴ ) و مخزن های پایینی که محل تجمع ناخالصیهای ته نشین شده بودند ، به نام مخزن گل و لای (Mud Drum) نامیده شدند .
در دیگ های اولیه ، لوله های درون حصاری با دیواره آجری قرار داشت که سطح دیواره داخلی با آجرهای نسوز پوشیده بود . ( در شکل ۱-۳ ) در اقدامات بعدی ، بخشی از دیواره های آجری مقابل آتش را با لوله های آب ، به نام دیواره های آبی (Water-Walls) پوشاندند .
این دیواره ها از طریق سرشاخه ها و لوله ها و یا به طور مستقیم به مخزن بخار وصل می شوند ( شکل ۱-۴ ) .
دیواره های لوله ای حرارت گازهای حاصل از احتراق را جذب می کردند و بدین وسیله دمای گازهای ورودی به دسته لوله ها را آشکار می دادند . و دیواره های اجری را در مقابل حرارت ، حفاظت می کردند .
به تدریج که درصد پوششی دیواره های آجری با دیواره های لوله ای افزایش یافت ، اتلاف حرارتی دیوارهای آجری به فضای بیرون کاهش یافت . با تکمیل طراحیها ، امروزه دیواره ها را با سطوح خنک شونده آبی می پوشانند ( شکل ۱-۵ )
این دیوارها یا با قرار دادن کاملاً نزدیک به هم لوله ها ، پوشانده می شوند که آنها را لوله های مماسی (Tangent Tubes) می گویند و یا با لوله هایی که فاصله بین آنها را با ورقه های باریک فولادی جوش داده اند
( لوله های جوشکاری ) می پوشانند . ( شکل ۱-۶)
دیگ بخار و سیر تکامل آن
با افزایش روزافزون فشار دیگ ها و استفاده از اکونومایزرها (Economisers) و گرمکن های هوا کاملاً مقرون به صرفه است که از تعداد مخزن های دیگ کاسته شود.
این دیگ بخار از نوع تک مخزنی یا چند مخزنی می باشند . انعطاف پذیری در طراحی دیگ بخار لوله – آبی منجر به ساخت مخزن ها و سطوح حرارتی متنوع در سطح جهان شده است . امروزه بیشتر تولیدکنندگان علاقمند به ساخت دیگ های دو مخزن یا تک مخزنی می باشند .
دیگ بخار چند مخزنی
از دو یا چند مخزن به منظور قرار دادن دسته تیوب های به هم چسبیده و تشکیل ناحیه تبخیر کنوکسیون ( جا به جایی ) استفاده می شود . در این ناحیه ، سطوح حرارتی ایجاد شده ، باعث بازیافت بخشی از حرارت گازهای حاصل از احتراق می شوند در شکل (۱-۴) دیگ نوع چهار مخزنی و در شکل (۱-۷) نوع دو مخزنی با سوخت زغال نشان داده شده است .
در ساخت این دیگ ها از شیوه اتصال انبساط لوله به مخزن (Expanded Tube-To-Drum) استفاده شده است ( شکل ۱-۸ / الف ) در این شیوه لوله از طریق سوراخی که قطرش کمی از قطر خارجی لوله زیادتر است ، وارد مخزن می شود . سپس با استفاده از غلطک های داخلی ، قطر داخلی لوله را گشادتر می کنند و بدین طریق لوله و مخزن به شیوه فلز به فلز کاملاً به همدیگر فشرده و آب بندی می شوند .
برای حصول از اطمینان بودن لوله ، عمل انبساط لوله تا کاهش ضخامت دیواره لوله ادامه پیدا می کند . دیگهایی که از شیوه اتصال استفاده می کنند ، به علت اشکال آب بندی لوله ها در فشار بالا ، فشارشان زیر است .
دیگ بخار و سیر تکامل آن
در فشارهای بالاتر ، در سوراخ بدنه ی مخزن ، شیاری ایجاد می کنند . در نتیجه لوله هنگام منبسط شدن به داخل این شیار نیز کشیده می شود.
و مقاومت بیشتری در برابر نیروی کشش خارجی پیدا می کند . سر انتهایی لوله ها را بنا بر طراحی دیگ و استانداردهای مربوطه ، گرد یا اریب می سازند .
دیگ بخار و سیر تکامل آن
در مواردی که بخار داغ با درجه سوپرهیت بالا و فشار زیاد موردنیاز باشد ، دسته لوله های ناحیه کنوکسیون کارآیی چندانی ندارد . زیرا قسمت عمده حرارت گازها در داغ کننده های بخار جذب شده ، و گازهای خروجی از این قسمت ، با دمای پایین ، به لوله های ناحیه کنوکسیون که به علت بالا بودن فشار ، آب با دمای اشباع در آنها جریان دارد ، وارد می شوند .
عوامل فوق باعث می شود که در مقایسه با دیگ های با فشار پایین ، انتقال حرارت کمتری در این ناحیه صورت گیرد .
علاوه بر این در دیگ های با فشار بالا ، اغلب لازم می شود که به منظور تأمین ضخامت لازم پوسته دیگ ، فاصله بین لوله ها را افزایش داد . این امر موجب می شود تعداد لوله ها و در نتیجه سرعت گاز و سطوح انتقال حرارت نیز کاهش یابد .
دیگ بخار تک مخزنی
این دیگ بخار را می توان در اندازه های مختلف برای هر نوع سوخت و هر نوع آتشکاری به کار برد . چرخش آب می تواند به صورت طبیعی یا اجباری (کمکی) صورت گیرد.
از این دیگ بخاردر مواردی که لازم است لوله ها به طریق جوشکاری وصل شوند استفاده می شود ولی در دیگ بخار دو مخزنی که لوله ها در ناحیه کنوکسیون به فاصله کمی از همدیگر قرار گرفته اند و امکان دسترسی به لوله ها و جوشکاری مشکل است ، این ناحیه کار عملی نیست .
دیگ بخار تک مخزنی برای فشارهای بالاتر از و ظرفیت هایی بیشتر از
دیگ بخار چند مخزنی ساخته می شوند نوعی از این دیگ با چرخش طبیعی آب برای مصرف صنعتی در ظرفیت و فشار بالا در ( شکل ۱-۹) دیده می شود
دیگ بخار و سیر تکامل آن
دیگ بخار با چرخش اجباری آب:
این دیگ ها از نوع تک مخزنی هستند که قسمت اعظم چرخش آب آنها توسط تلمبه صورت می گیرد این تلمبه اختلاف فشار لازم جهت چرخش آب در لوله های دیگ را تأمین می نماید ( شکل ۱-۱۰ )
عموماً این دیگ را برای فشارهای بالای یا فشارهای پایین جهت موارد خاص که طراحی آنها به گونه ای است که چرخش طبیعی آب کفایت نمی کند ، مانند دیگ های عملیاتی بازیافت حرارتی به کار می برند.
دیگ بخار و سیر تکامل آن
دیگ بخار یک سویه (Once-Through Boilers):
در این دیگ ها آب توسط تلمبه های تغذیه از طریق یک سری لوله های نازک که تشکیل اکونومایزر ، سطوح تبخیر کننده و در اخر لوله های داغ کننده بخار
( چنانچه درنظر گرفته شده باشند ) را می دهند ، عبور می کند .
تقریباً تمام آب تغذیه به جز قسمت ناچیزی از آن ، تبدیل به بخار می گردد . باقیمانده آب در جدا کننده آب از بخار ، در مخزن جمع شده و به عنوان زیر آب جهت خارج سازی املاح تغلیظ شده ، خارج می گردد .
در صورت لزوم ، بخار حاصله به داغ کننده بخار ، برگشت داده می شود .طرح های مختلفی از این دیگ برای صنایع ساخته شده ، ( شکل ۱-۱۱) مزایای این دیگ ، سرعت راه اندازی به علت نداشتن مخزن های بزرگ و ضخیم تحت فشار ( که مستلزم کنترل افزایش دما هستند ) و امکان استفاده از آب های تغذیه با املاح موجود زیاد است که این امر عمل تصفیه آب را آسان می کند
دیگ بخار و سیر تکامل آن
دیگ های تصفیه قابل حمل و مونتاژ در کارگاه یا کارخانه:
تصور کلی از مونتاژ در کارگاه این است که تمام مراحل ساخت و مونتاژ مراقبت کامل و در محلی انجام می گیرد که کلیه تسهیلات ساخت به آسانی در دسترس است.
نیروهای تخصصی موردنیاز در محل نصب ، نظیر جوشکاری قطعات تحت فشار را می تواند به حداقل رساند و یا حتی حذف کرد و به حداقل نیروی کار محلی ، در نقاطی که مشکلات جوی و تسهیلات وجود دارد ، اکتفا نمود . به طور نمونه ، چنانچه کارخانه در فضای باز ( نظیر پلایشگاههای نفت ) است ، شرایط نامساعد جوی بر برنامه ساخت تأثیر می گذارد .
عملیات گسترده مونتاژ در محلی توسط پیمانکاران مختلف همواره مسایل کارگری را به دنبال داشته است .
برخلاف دیگ بخار یکپارچه ( پکیج ) لوله – آتشی ، دیگ های ساخت در کارگاه را معمولاً بدون وسایل آتشکاری نظیر شیرها ، اتصالات ، ابزارهای دقیق و کنترل کننده حمل می کنند . زیرا این وسایل ، فضا مفید سطوح دیگ را اشغال می کنند . به همین دلیل است که اصطلاح نصب در کارخانه را به این دیگ ها اطلاق می کنند .
دیگ بخارلوله – آبی قابل نصب در کارخانه ، به صورت پیش طراحی شده و استاندارد ، توسط بسیاری از سازندگان ساخته می شود . ظرفیت دیگ ها وابسته به امکانات موجود کارگاه ، موقعیت کارگاه و محدودیت های حمل ، توسط هر سازنده دارد .
دیگ هایی تا ظرفیت به صورت تک سفارشی با سوخت نفت یا گاز ، در کارگا هی که دسترسی به راه های آبی دارد ، ساخته شده است . امکان تأمین فشار تا و دمای نیز وجود دارد . نمونه ای از دیگ دو مخزنی نوع به صورت نصب در کارگاه در شکل (۱-۱۲) نشان داده شده است . نمونه های دیگری نیز استفاده می شود .
دیگ بخار و سیر تکامل آن
این دیگ بخار ، که با توجه به حداکثر بهره برداری از محدودیت های ترابری طراحی شده اند قادرند با ظرفیت بالای گرمایی کار کنند و دارای امکانات دسترسی محدود جهت فضای داخلی کوره و تمیز کردن آن می باشند .
البته می توان با توجه به تقاضای مشتری یا خصوصیات سوخت ، دیگ بخاری با ظرفیت متوسط ، از میان دیگ های موجود انتخاب کرد . در صورتی که امکانات راه های ترابری برای حمل نمونه ساخته شده در کارگاه مناسب نباشند ، می توان نمونه دیگ مورد نظر را در محل کارخانه مونتاژ نمود .
نمونه های ساخته شده و آماده در کارخانه با سوخت های جامد ، نیز وجود دارند که دارای ظرفیت بسیار پایین تری از دیگ های گازسوز یا نفت سوز هستند .
این امر به دلیل محدودیت ظرفیت حرارتی وسایل احتراق ، خصوصیات گدازه ای و خورندگی خاکستر موجود در سوخت ها و فضای مورد نیاز احتراق می باشند . به همین دلیل است که میزان ظرفیت و دمای بخار تولیدی این دیگ ها از دیگ های مشابهی که در محل کارخانه مونتاژ و نصب می شوند ، کمتر است .
دیگ بخار مدولار (Modular) :
این دیگ ها در ظرفیت های مختلف موجود هستند . معنی مدولار بسیار گسترده است، ولی معمولاً بیانگر دستگاه (unit) ساخته شده ای متشکل از قطعات بسیار بزرگ از پیش مونتاژ شده (Modul) می باشند . اندازه مدولار محدود به امکانات شرکت سازنده و محدودیت های انتقالی به محلی است .
سالیان متمادی دیگ های بزرگی را از این قطعات ( مدول ) نظیر صفحات دیواره – آبی (Water – wall panel) جهت اطاق احتراق ، و نیز سطوح از پیش مونتاژ شده قسمت کنوکسیون ، ساخته اند . نمونه جدیدی از دستگاه مدولار ، دیگ بخار دو مخزنی با چرخش آب طبیعی که مدولهای تحت فشار یک دیگ بخار با سوخت زغال و کوره کف متحرک را نشان می دهد . شکل( ۱-۱۳)
ظرفیت تولیدی این دیگ ها بستگی به حداکثر اندازه ناحیه کنوکسیون قابل حمل دارد.
دیگ بخار و سیر تکامل آن
دیگ بخار بصورت مونتاژ در محل:
این دیگ بخار معمولاً بسیار بزرگ هستند و نمی توان آنها را در کارگاه مونتاژ کرد و یا به علت محدودیت های محل و نقل و محدودیت جا در محل ، امکان آن وجود ندارد . ساخت این دیگ بخار معمولاً مستلزم خدمات تخصصی در محل در مواردی نظیر منبسط کردن سر لوله ها یا جوشکاری قطعات تحت فشار ، می باشد . نمونه دیگ بخاری که قسمت های عمده ای از آن در محل مونتاژ می شود ، در شکل (۱-۹) نشان داده شده است .
دیگ بخار ترکیبی (Composite boiler) :
امروزه با ساخت دیگ بخار ترکیبی که در آن اصول ساخت دیگ های لوله – آبی با هم تلفیق شده ، استفاده می شود ( شکل ۱-۱۴) با این طرح جدید ، مخزن بخار و دسته لوله های منطقه همرفت ( کنوکسیون ) دیگ بخار بخار لوله – آبی معمولی با یک مخزن که در برگیرنده تعداد زیادی لوله های باریک و به معنی دیگر یک دیگ لوله – آتشی بدون کوره است جایگزین شده است .
دیواره های لوله ای کوره توسط لوله هایی به دیگ لوله – آتشی که نقش مخزن بخار را به عهده دارد ، وصل می شوند . این طرح مزایای ارزانی دیگ های لوله – آتشی با حجم زیاد مخزن آب و بخار – که باعث آزادسازی آرام بخار است – و قابلیت کوره دیگ های لوله – آبی در انعطاف پذیری احتراق سوخت های مختلف و متناسب با کاربردهای ویژه را ترکیب نموده است .
در این دیگ بخار، در قسمت لوله – آتشی دیگ فاقد لوله های قطور گازهای احتراق می باشد ، و این امر مشکل عمده دیگ های لوله – اتشی یعنی محدودیت فشار و ظرفیت تولیدی آنها را برطرف می سازد .
ظرفیت دیگ های ترکیبی وابسته به توانایی ساخت پوسته دیگ ها توسط سازندگان و مقررات حمل جاده ای می باشد . حداکثر فشار بخار با دمای صفحه – لوله (Tube – Plate) کنترل می شود که این دما طبق استانداردBS 2790 مشخص شده است .
در مورد احتراق سوخت های جامد ، این محدودیت تقریباً در فشار ۳۲ bar و دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد می باشد .
قطعات دیگ بخار ترکیبی را معمولاً به صورت مجزا یا مدول ، به محل ، حمل
می کنند و قطعات عمده آن شامل کوره و اجزاء دیگ بخار لوله – آتشی است که در کارخانه مونتاژ شده اند .
دیگ بخار و سیر تکامل آن
مشخصات لوله های دیگ بخار :
- دیگ های لوله – آتشی : لوله های عبوردهنده گاز در این دیگ ها باید دارای قطر کافی جهت جلوگیری از انسداد آنها توسط رسوبات خاکستری باشند و نیز تعداد و قطر لوله ها باید طوری انتخاب شوند که سرعت گاز در درون آنها باعث سایش ، توسط ذرات همراه گاز نگردد .
- کمترین فاصله گام (Pitch) در BS2790 و BS855 شرح داده شده است .
- این گام ها بر اساس حداقل فاصله ( مقدار فلز ) بین SEAT لوله ها در صفحه فلز (Ligaments) در نظر گرفته شده است . این فاصله جهت قرار دادن لوله ها و محکم کردن طبق روش های مصوب ضروری است .
- رعایت حداقل فاصله ها خللی در جریان آب روی لوله ها و انتقال حرارت ایجاد نمی کند . اندازه گام ها بر دمای فلز درون SEAT ها اثر می گذارد ، به طوریکه گام های نزدیک به هم باعث افزایش این دما می گردد .
- دیگ های لوله – آبی : در این دیگ بخار نیز قطر لوله ها باید چرخش کافی آب و استحکام مکانیکی لازم را فراهم نماید . لوله های داغ کننده بخار نیز باید جواب گوی افت فشار داخلی لوله ، توزیع بخار و دمای فلز باشد . گام لوله ها نیز باید به حدی باشد که از تلمبار شدن رسوبات و کیپ شدن فضاهای عبور گاز جلوگیری کند .
آرایش بهینه لوله های دیگ در وضعیتی خاص از قرار گرفتن آنها و در سرعت معینی از گازهای کوره حاصل می گردد ، و این وظیفه مهندس طرح است که موازنه ای اقتصادی بین هزینه سطوح حرارتی و نیروی لازم جهت دمنده ها ، با توجه به محدودیت های ناشی از خصوصیات سوخت و شکل کلی دیگ ، به عمل آورد .
تعیین سرعت متوسط گازهای کوره در عبور از داخل لوله ها ، نظیر دیگ های لوله – آتشی نسبتاً به طور دقیق انجام پذیر است .
ولی بسیاری از دیگ های صنعتی لوله – آبی دو مخزنی هستند ( شکل ۱-۱۵) که در آنها مسیر عبور گازها با ایجاد دیواره هایی در دسته لوله ها ، صورت می گیرد . در این گونه موارد ممکن است عبور گازها ، عمود بر لوله ها نباشد ، و در بعضی نقاط نیز تغییراتی در جهت عبور گازها پیش می آید . به همین ترتیب پیش بینی دقیق بازدهی سطوح حرارتی نیز آسان نیست .
بنابراین طراحی چنین دیگ هایی وابسته به اطلاعات بدست آمده از کارآیی سایر دیگ ها ، در تهیه ضرایب مناسب و کسب نتایج قابل قبول می باشد .
سوخت کوره دیگ بخار :
برای ایجاد احتراق و تولید حرارت و گرمای لازم جهت تولید بخار در دیگ ها به سوخت نیاز می باشد سوختهای مورد استفاده در کوره دیگ ها ممکن است جامد ، مایع یا گاز باشد .
سوخت های گازی شامل گازهای مایع مواد نفتی سنگین مرکب از مخلوط پروپان و بوتان تا گازهای سبک کوره بلند ( ذوب آهن ) که محتوری فقط % ۲۲ مونواکسد کربن با % ۴/۲ هیدروژن رقیق شده با مواد خنثی ، دی اکسید کربن و ازت است ، می باشد . از زمان های قدیم گاز طبیعی ، معمولی ترین سوخت کوره ها بوده است این گاز بیشتر شامل متان است .
زغال یک سوخت جامد و نفت یک سوخت مایع مورد استفاده در کوره دیگ بخار می باشد .
سالهاست که از سوخت های زائد جهت رهایی از شر آنها و یا بازیافت انرژی حرارتی آنها در صنایع استفاده می شود . اخیراً با افزایش بهای سوخت و انرژی ، توجه خاصی به بازیافت انرژی از طریق احتراق هرگونه مواد زائدی که منجر به کاهش هزینه های سوخت و تولید محصول نهایی گردد معطوف گردیده است .
نوع مواد زائد سوختنی ، و شیوه احتراق آن تأثیرات زیادی بر طراحی دیگ مربوطه دارد.
در سوخت های جامد ، حمل ذرات همراه گازهای حاصل از احتراق و خورندگی محصولات احتراق ، از اهمیت ویژه ای برخوردارند و چون مواد زائد غیرمتعارفی برای سوخت استفاده می شود باید آزمایش های لازم جهت تعیین بهترین روش آشکاری و نکاتی تدریجی این دیگ ها صورت گیرد .
سوخت های زائد شامل یکی از رده های جامد ، مایع یا گاز می شوند .
سوخت های زائد جامد
منشأ بخش عمده این سوخت ها ، سوخت های الیافی یا گیاهی است که معمولاً به نام سوخت های احیا شده نامیده می شوند و دارای رطوبت زیاد % ۶۵-۱۰ می باشند که بستگی به منبع تهیه و فرآیندهایی دارد که تا محل تخلیه با دیگ ، بر روی آنها انجام شده است .
سوخت های الیافی دارای مواد فرار زیادی هستند.که باعث می شود پس از رطوبت زدایی اولیه در کوره ، به آسانی بسوزند .
چوب ، تفاله نیشکر ، زائده ها درخت خرما ، زباله های عمومی نظیر زباله های شهری و بیمارستانی و لاستیک های کهنه از جمله سوخت های زائد جامد هستند .
فضولات مایع
این فضولات شامل مایعات خروجی کارخانجات هستند که نمی توانند به علت آلودگیهای خطرناک – اگرچه در موارد بازیافت شیمیایی نیز بر روی آنها صورت می گیرد – به شبکه تخلیه یا فاضلاب وارد شوند .
فضولات مایع آسان تر از فضولات جامد مورد بهره برداری قرار می گیرند . اسید تارها (Acid Tar) را در کوره های با کفت سیال ، همراه با زغال به عنوان سوخت کمکی ، سوزانده اند .
ضایعات گازی
مهم ترین این گازها ، گازهای کوره بلند (Blast Furnace Gas) کارخانجات تهیه فولاد ، گازهای CO حاصله از واحدهای کراکینگ کاتالیستی(Fluid Catalitic Cracking) و گازهای سنگین تولیدی در پالایشگاههای نفت است ، که به عنوان سوخت در همین کارخانجات مصرف می شوند و شرایط احتراق و طراحی دیگ ها بر مبنای آنها منظور شده است .
در غیاب سوختهای ارزان ضایعاتی یا فرآورده های جانبی موجود کارخانجات ، یکی از سوخت هی فسیلی نظیر زغال ، نفت یا گاز و یا ترکیبی از آنها در کوره ها استفاده می شود . در شرایط مساوی ، دیگ های با سوخت زغالی گران ترین و سوخت های گازی از جمله ارزان ترین سوخت ها
می باشند .
پس از انتخاب سوخت یا سوخت های مورد نیاز ، مسأله خوردگی سطوح حرارتی در تماس با گازهای داغ مورد توجه می باشد . گاز طبیعی سوخت تمیزی است که معمولاً عاری از ترکیبات گوگردی – عامل خوردگی رسوب – می باشد . این امر موجب قرار گرفتن سطوح حرارتی نزدیکتر به همدیگر ، بدون نیاز به تمیز کردن حین کار دیگ و ارزان تر شدن قیمت دیگ می گردد .
زغال معمولاً پردردسرترین سوخت های فسیلی از نظر طراحی دیگ است . خصوصیات این سوخت ، به خصوص مواد فرار ، مقدار خاکستر ویژگیهای گدازه ای (Fusion) خاکستر ، بر اندازه دیگ ، فاصله بین لوله ها و آرایش آنها در راستای جلوگیری از گدازه های مذاب و کاهش بر لوله ها ، تأثیر می گذارند .
سوخت های نفتی نیز از سوخت های تمیز و مرغوب که تقریباً معادل گاز طبیعی هستند تا سوخت های بسیار سنگین ته برج تقطیر ، با خاکستر زیاد ، مواد آسفالتی ، وانادیوم و گوگرد متغیر هستند.
چنانچه در طراحی دیگ توجه نشود ، این ناخالصیها منجر به رسوب های سنگین بر سطوح حرارتی و قرار دادن این سطوح در مرعض خوردگی ناشی از اختلاف دماهای شدید می گردد .
در صورت نیاز به سوخت جایگزین در هنگام قطع سوخت اصلی طراحی لازم بر اساس سوختی با بدترین شرایط احتراق و بالاترین درجه رسوب گذاری انجام می گیرد.
گرچه داشتن تسهیلاتی در مواقع اضطراری بتواند همه سوختها را در واحد دیگ های بخار مصرف نماید ، از نظر عملیاتی امتیاز بزرگی محسوب می شود ولی به علت پیچیدگی وسایل کنترل احتراق و هزینه های سرمایه ای ، اقتصادی نمی باشد .
برای مثال اگر از نفت کوره در دیگ بخاری که برای سوخت زغال طراحی شده ، استفاده گردد ، درجه حرارت نهایی بخار کاهش می یابد ، زیرا در مقایسه با زغال ، گازهای حاصل از احتراق نفت کوره حدود %۸۰ کمتر خواهد شد .
درنتیجه انتقال حرارت در داخل کوره نیز کاهش یافته و منجر به افت دمای داغ کننده های بخار برای سطح معینی از انتقال حرارت خواهد شد . در این حالت افزایش دمای نهایی بخار مستلزم داشتن داغ کننده بخار بزرگتری از حالت احتراق با سوخت زغال خواهد بود ، ولی فاصله بین لوله ها همچنان مانند وضعیت احتراق زغال ، زیاد می باشد .
این امر ضرورت نصب تعدیل کننده درجه حرارت بخار داغ (Desuper Heater) را ایجاب می کند ، که اگر از نوع بین مداری (Inter Stage) و پاششی باشد باعث کاهش جریان بخار در لوله های ماقبل این تعدیل کننده ( در داغ کننده بخار اولیه ) خواهد شد که افزایش دما و نازک شدن این لوله ها را به دنبال دارد .
کوره دیگ بخار :
در دیگ بخار لوله – آتشی کوره ها اکثراً استوانه ای شکل هستند به جز موارد خاصی نظیر کوره های کف سیال (Fluidised beds) که ممکن است به اشکال متفاوتی ساخته شوند.
معمولاً در کوره ها وسایل احتراق و محفظه برگشت گازها در نوع Wet-Back سطح انتقال حرارت قرار دارند که با جذب حرارت از احتراق سوخت ، دمای گازهای حاصل از احتراق به منطقه کنوکسیون ( جا به جایی ) را به حد مطلوب می رسانند .
در دیگ بخار Dry-Back سطوح محفظه برگشت گازها کاملاً عایق کاری شده و انتقال حرارتی صورت نمی گیرد . بنابراین در کوره های Dry-Back سطح انتقال حرارت بیشتر از کوره های Wet-Back می باشد .
مشعل های گاز ، نفت یا زغال های پودر شده به آسانی در جلوی کوره جای داده می شوند . و برای هر کوره یک مشعل در نظر گرفته می شود . کوره های کف مشبک (grates) که جهت احتراق سوخت های جامد یا در کوره های کف سیال به کار می روند نیاز به فضای کافی دارند و قسمتی از سطوح انتقال حرارت را به غربال کردن ( و خارج سازی ذرات ریز زغال و خاکستر ) اختصاص می دهند .
بنابراین کوره های با سوخت جامد بسیار بزرگتر از کوره های با سوخت گاز یا نفت هستند . مشعل سوخت های زغال پودر شده و مخلوط زغال / آب (CWM) COAL/Water Mixtrue ، در بارهای کم ، میانگین فضای مشعل های نفت و گاز را می گیرند .
تمام سوخت ها جهت احتراق نیاز به زمان دارند و احتراق نیز باید در کوره تکمیل گردد و در ۱۹۸۶ : BS 790 از ضروریات احتراق نام برده شده است .
تجهیزات کمکی دیگ بخار
بهره برداری از دیگ های بخار مستلزم واحدهای کمکی زیر است :
۱- تلمبه ها جهت آب رسانی از منبع تغذیه به دیگ بخار یا رساندن آب برگشتی از سیستم گرمایشی به دیگ
۲- دمنده ها جهت هوا رسانی به سیستم احتراق و خارج سازی گازهای حاصل از احتراق از دیگ به دودکش
۳- دودکشها جهت خارج ساختن گازهای حاصل از احتراق به فضای بیرون طبق مقررات قابل قبول زیست محیطی
۴- مبدل های حرارتی جهت بازیافت حرارت از گازهای حاصل از احتراق و برگشت آن به شبکه دیگ
تلمبه ها :
تلمبه دیگ های بخار
در دیگ های بخار ، تلمبه ها آب تغذیه را به فشاری بالاتر از فشار ماکزیمم بهره برداری دیگ و با ظرفیتی بیشتر از حداکثر تبخیر دیگ ف به دیگ می فرستند . حدود افزایش ظرفیت بین % ۲۰-۱۵ مقدار MCR
( Maximum Continuous rating rating) زیرا
۱) زیرآب متناوب یا دایم دیگ جهت خروج املاح محلول و معلق که با عمل تبخیر در دیگ ، غلظتشان افزایش می یابد ، امری ضروری است .
۲) تحت شرایط نامطلوب ، که اغلب قابل اجتناب است ، نظیر غلیان یا تراوش آب همراه بخار ، مقداری از آب دیگ خارج می شود
۳- در شرایط خاصی ، تقاضا برای بخار افزایش می یابد
۴- کاهش کارآیی تلمبه با گذشت زمان ، به خصوص در مناطق دور افتاده که کیفیت آب پایین و کنترل کمتری وجود دارد ، حدود افزایش ظرفیت تلمبه بیشتر است ، ولی در تلمبه ها مدرن امروزی این امر صادق نیست .
در نصب تلمبه ها باید دقت کرد که در قسمت مکش آن ، فشار مثبت کافی (NPSH) وجود داشته باشد و در هیچ نقطه ای از لوله کشی مکش تلمبه ، شار خط کمتر از فشار درجه اشباع آب تغذیه نرسد .
این موضوع در مکش تلمبه های با سرعت بالا و آب تغذیه با دمای بالا حائز اهمیت بیشتری است ، زیرا منجر به تبخیر آب و ایجاد کاویتاسیون می گردد که نشانه آن سر و صدای کر کننده است . در صورت تداوم کاویتاسیون ، جریان به سرعت کاهش یافته و به مرور زمان باعث خرابی تلمبه می گردد .
برای تأمین (Net positive suction heat) NPSH کافی ، باید لوله های ناحیه مکش تلمبه در اندازه های مناسب و سرعت آب حدود باشد ، حتی الامکان لوله ها مستقیم و عاری از پیچ و خم های اضافی باشند و مخزن ذخیره یا مخزن هواگیر در ارتفاع مناسبی قرار گرفته باشد تا قادر باشد فشار لازم را در مکش تلمبه ایجاد نماید . سازندگان تلمبه مقدار NPSH مناسب را تعیین می کنند و در صورت تردید می توان نحوه لوله کشی ، مکش تلمبه را از آنان جویا شد .
تلمبه دیگ های مولد آب جوش (Hot-Water boilers)
امروزه از آب جوش ، بیشتر از بخار ، در کارخانجات عملیاتی (Process work) و تأسیسات حرارتی استفاده می شود . وسعت و ظرفیت مجموعه دیگ ها برای مواردی نظیر تأسیسات حرارتی منطقه ای و بعضی کارخانجات نوشابه سازی ، ممکن است بسیار بزرگ باشد .
تلمبه ها آب را از سیستم برگشتی به دیگ بر می گردانند و از دیگ به قسمت مکش تلمبه های آب جوش می رسانند .
بنابراین وظیفه تلمبه ها به چرخش درآوردن حجم مناسب آب و بالابردن فشار آن به میزانی است که بر مقاومت داخلی لوله های شبکه و درون دیگ غلبه پیدا کند ، در صورتی که در مورد دیگ های بخار ، وظیفه تلمبه های آب تغذیه ، افزایش فشار آب تغذیه از فشار جوبه فشاری بالاتر از فشار دیگ است .
در این دیگ ها از تلمبه های گریز از مرکز ولی با مرحله های کمتر ، معمولاً یک مرحله ای ، استفاده می شود . برای مقابله با نیازهای متغیر و بناباین ظرفیت های متغیر ، از چندین تلمبه به طور موازی استفاده می گردد ، ولی در تأسیسات دید برای هر دیگ تلمبه مستقلی در نظر می گیرند .
در اکثر مراکز بزرگ تولید آب جوش ، از سیستم پرفشار استفاده می شود . تلمبه هایی در بیرون از محوطه دیگ ها ، آب را از مخزن هایی که در فشار جو هستند ، با فشار۷ bar یا بیشتر به طور مستمر به دیگ می رسانند .
همچنین می توان فشار لازم را توسط مخازن تحت فشار کوچکی که محتوی آب شبکه هستند و فضای بالای آب توسط سیلندرهای معمولی از گاز ازت ، با فشار دلخواه پر شده است ، تأمین نمود . با تغییر دمای سیستم و انقباض و انبساط اب ، آب از مخزن هایی تحت فشار جو ، به سیستم وارد شده ، یا به مخزن ها بر می گردد .
در هر دو مورد تلمبه مستمر آب با تحت فشار گاز ازت ، از تلمبه های گریز از مرکز چند مرحله ای ، نظیر تلمبه های آب تغذیه ، ولی با ظرفیت کمتر استفاده می گردد . یک تلمبه گریز از مرکز با سرعت مشخص قادر است هر مایعی را صرف نظر از چگالی آن به ارتفاع معین تلمبه نماید .
دمنده ها
دمنده ها جهت به حرکت درآوردن هوا و گازها در فشارهای نسبتاً پایین به کار می روند و شامل یک گردنده تیغه دار (Bladed rotor) ، چرخ یا پره دوار واقع در یک محفظه ، پوسته یا Volute است که انرژی را به صورت سرعت و فشار به گاز یا هوا منتقل می سازد . دمنده ها به دو نوع عمده تقسیم می شوند :
۱- دمنده های گریز از مرکز که جهت ریان در آن به صورت شعاعی است و نیروی گریز از مرکز وارد بر هوا ، ایجاد فشار می کند .
۲- دمنده های جریان محوری که از نوع پره ای هستند و جریان هوا به صورت محوری در داخل یک محفظه برقرار می شود .
دمنده های هوا متداول در دیگ های صنعتی از نوع گریز از مرکز می باشند که در آنها نیروی داده شده به دمنده به صورت انرژی فشار به هوای درون دمنده منتقل می گردد. فشار حقیقی یا استاتیکی ایجاد شده توسط مانومتر با فارسنج های ظرفیت اندازه گیری می شود .
انرژی جنبشی حاصل توسط یک پیتوت تیوب (Pitot tube) که در سر راه جریان گاز قرار می گیرد ، اندازه گیری می شود .
مجموع فشار ایجاد شده عبارت از مجموع فشار استاتیکی و فشارهای وارد بر هوا (Velocity pressure) است . فشار وارده نسبتاً کم است و بر حسب میلی بار یا میلی متر آب (WM Wg) اندازه گیری می شود که حدود آن بین صفر تا ۷۵bar یا (۷۶۰ MW Wg) می باشد .
تیغه های متداول در پره های دمنده های گریز از مرکز به سه شکل زیر (منظور شکل لبه تیغه است) ساخته می شوند .
- ۱- متمایل به جلو
- ۲- شعاعی
- ۳- متمایل به عقب
دودکشها در دیگ بخار
در دیگ های مدرن امروزی وظیفه دودکشها خارج ساختن و پخش گازهای حاصل از احتراق در ارتفاعی است که ایجاد مزاحمت برای نواحی مجاور را ننماید .
در انگلستان ، حداقل ارتفاع جهت کاربرد خاص و منطقه ای خاص ، رعایت مقررات امور بهداشت محیط یا بازرسی آلودگی هوای صنعتی طبق مفاد قانون هوای تمیز مربوط به حداقل ارتفاع دودکشها می باشد .
دیگ های اولیه ، با استفاده از مکش حاصل از گازهای داغ داخل دودکش ، با مکش طبیعی کار می کند و برای این منظور از دودکش های بلند و قطور و دمای بالای گازهای خروجی استفاده می شد .
در دیگ های جدید که با مکش متعادل (Balanced-draught) کار می کند ، طراحی دودکشها به نحوی است که در پایین دودکش ، مکش ناچیزی وجود دارد و از فشار گرفتن کانال بین مکنده القایی و دودکش جلوگیری می نماید . این امر مانع نشتی گازهای کوره در سطح زمین می گردد .
در کوره های تحت فشار نیز می توان شرایط مشابهی را ایجاد نمود . مکش ایجاد شده توسط دودکش و افت فشار درون آن را می توان به کمک جدول های اطلاعاتی تعیین نمود .
دودکش ها ممکن است یک کاناله (single-flue) یا چند کاناله باشد . دودکش های چند کاناله دارای مشکل اختلاف دما هستند که منجر به تنش و خمیدگی دودکش می گردد .در دودکش های چند کاناله که هر دیگ یک کانال خروجی دود جداگانه دارد باعث می شود که حداقل سرعت به آسانی تأمین گردد و از پدیده های وارونگی و جریان معکوس گازهای خروجی (down wash) جلوگیری گردد .
وارونگی عبارت از وارد شدن جریان هوای سرد از بالا به داخل دودکش و ایجاد نقاط سرد د بالای بدنه دودکش است .
جریان معکوس گازها نیز عبارت از جاری شدن گازها به پایین ناحیه سکون (Lee side) دودکش است .با تأمین حداقل سعت مندرج در آیین نامه قانون هوای تمیز بخش ارتفاع دودکشها و سایر تمهیدات می توان از هر دو پدیده فوق جلوگیری نمود .
دودکشها در معرض خوردگی دمای پایین و ایجاد دوده های اسیدی (Acid Smuts) هنگام سوزاندن ، سوخت های گوگرددار هستند که در صورت پایین امدن دمای فلزات به دمای شبنم اسیدی ، در فلزاتی که در تماس با این گازها هستند رخ می دهد.
پیش گرم کن ها ( مبدل ها ) :
چون منظور از دیگ ، انتقال حرارت ماده سوختنی به سیال ماند آب است باید دمای محصولات احتراق به کمترین مقدار کاهش یابد تا بتوان بیشترین بازیافت حرارت را کسب نمود .
گازهایی که ناحیه کنوکسیون ( جا به جایی ) تبخیر کننده را ترک می کنند ، دمایی بالاتر از دمای اشباع آب دیگ را دارند و بسته به فشار عملیاتی دیگ، دمای انها بیش از کمتر از دمای نهایی و مطلوب گازهای خروجی استفاده کرد .
دو سیال قابل دسترس و نسبتاً سرد در دیگ ها ، آب تغذیه و هوای احتراق است . بنابراین طبیعی است که از یک یا هر دو این سالها در وسایل بازیافت حرارتی استفاده شود و پایین ترین دمای گازهای خروجی و بنابراین بازده حرارتی دیگ را به دست آورد.
مبدل های حرارتی که از آب تغذیه برای بازیافت حرارت از گازهای حاصل از احتراق استفاده می کنند به پیش گرم کن آب تغذیه یا اکونومایزر (Economiser) نامیده می شوند و این نام احتمالاً به خاطر کاربرد اولیه آنها در استفاده اقتصادی هرچه بیشتر سوخت بوده است .
مبدلهایی که از هوای احتراق برای بازیافت حرارت محصولات احتراق استفاده می کنند گرم کننده های هوا یا پیش گرم کن های هوا نامیده می شوند . برای تشخیص این گرم کننده با انواع دیگری که از بخار یا سایر سیالات برای گرم کردن هوا استفاده می کنند ، پیش گرم کن های هوا را می توان گرم کننده های گازی هوا نامید .
پیش گرم کن های آب تغذیه ( اکونومیزرها ) :
این وسایل را می توان از لوله های صاف یا پرده دار چدنی ، فولادی با غلاف پرده دار چدنی یا لوله های ساده فولادی صاف یا پرده دار ساخت . پیش گرم کن نوع اخیر به نام لوله های پرده دار معروف هستند ( شکل ۲-۳)
در طراحی های لوله پیش گرم کن های آب تغذیه از لوله های چدنی صاف که توسط بررسیهایی (Scraper) سطح خارجی انها تمیز می شد ، استفاده می گردید .
سپس از لوله هایی چدنی با پره های خارجی یک تکه جهت افزایش سطح انتقال حرارت استفاده شد که در یک دمای معین آب درون لوله ها ، باعث افزایش بیشتر دمای لوله می گردید . لوله های چدنی امروزه نیز در فشارهای طراحی کمتر از ۴۵bar به علت ارزان بودن ، کاربرد دارند .
امتیاز دیگر این نوع پیش گرم کن ها نسبت به لوله های فولادی ، مقاومت بیشتر آنها در مقابل خوردگی سطوح داخلی و خارجی لوله ها است .
استفاده از لوله های چدنی در گذشته تابع استانداردهای ۱۴۱۲ و ۱۷۱۳ بود ، که امروزه رعایت نمی شود .پیش گرم کن های آب تغذیه چدنی در سر زانوهای خود دارای اتصالهای فلنج دار هستند که لوله های مستقیم را به همدیگر متصل می سازد .
این اتصالها را می توان به آسانی جدا کرد و لوله ها را با وسایل مکانیکی تمیز نمود . که این موضوع در مواردی که کیفیت آب تغذیه مطلوب نیست ، امتیاز بزرگی محسوب می گردد .
استفاده از لوله های فولادی امکان کاربرد آنها را در پیش گرم کن های آب تغذیه دیگ های فشار بالا امکان پذبر می سازد ولی چون در معرض خوردگی بیشتر هستند ، نیاز به آب کیفیت بالا ضرورت دارد .
گرچه می توان این لوله ها را جهت سهولت تمیز کردن ، فلنج دار ساخت ولی در فشارهای بالا ، هزینه زیادی دارند . بهبود کیفیت آب و استفاده از تمیز کننده های شیمیایی منجر به استفاده جهانی از لوله های تمام جوش شده است .
پیش گرم کردن هوا (Air preheat)
با افزایش دمای مخلوط قابل اشتعال سوخت و هوا ، سرعت احتراق نیز افزایش می یابد و منجر به پایداری شعله و کاهش حجم آن می گردد . در دیگ های بزرگ لوله – آبی ، هدف از پیش گرم کردن هوای سوخت ، بازیافت حرارت گازهای خروجی از دیگ و برگشت این حرارت به سیستم دیگ بخار است .
معمولاً پیش گرم کردن هوا در دیگ های لوله – آتشی کاربردی ندارد ، ولی می تواند موضوع قابل بحثی در توسعه های آتی این دیگ باشد . این گرم کننده ها ممکن است از نوع بازیافتی (Recuperative) ، یا احیاء کننده (Regenerative) باشند .
در نوع بازیافتی ، هوا و گازهای گرم توسط صفحه انتقال حرارت ، جدا شده اند . حرارت به یک سطح این صفحه برخورد کرده ، آن را گرم می کند . حرارت جذب شده توسط صفحه انتقال حرارت به طرف دیگر صفحه منتقل و جریان هوا را گرم می کند .
در طرح احیاءکننده ، که به طریقه غیر مستقیم صورت می گیرد ابتدا حرارت به منبع واسطه ای منتقل می شود ، سپس این منبع گرم شده در تماس مستقیم با هوای سرد قرار می گیرد و آن ار گرم می نماید .
اجزاء گرم کننده های هوا تحت فشار نیستند و از آن رو نسبت به پیش گرم کن های آب تغذیه که نباید به کیفیت آب ، در معرض خوردگی و تعمیر توسط پرسنل مجرب است ، مزیت دارند.
لزوم تصفیه آب دیگ بخار
آب های طبیعی در اثر تبخیر ، رسوباتی بر جای می گذارند که در دیگ های بخار و دستگاههای جانبی آن موجب بروز مشکلات م یگردند . همچنین این گونه آب ها می توانند خوردگی سطوح دیگ های بخار و دستگاههای جانبی آن ار شامل شوند .
این مشکلات علاوه بر متوقف شدن سیستم و لزوم تعویض قطعات ، موجب افزایش هزینه های گوناگون می گردند . به طور کلی استفاده از آب نامناسب در دیگ های بخار مسائل زیر را به وجود می آورد .
الف) تشکیل رسوب بر جداره دیگ بخار و دستگاههای جانبی آن (Scaling)
ب) خوردگی سطح دیگ بخار و دستگاههای جانبی آن (Corrosion)
پ) حمل قطرات مایع توسط بخار (Carrg over)
ت) کف کردن (Foaming)
ث) غلغل کردن یا غلیان (Priming)
ج) شکنندگی قلیایی فلز دیگ بخار و دیگر دستگاههای جانبی آن
(Caustic embrittlement) عوامل زیادی از جمله : ساختمان ، فشار دیگ بخار ، مقدار تولید بخار و شیوه بهره برداری ، در میزان ایجاد مشکلات سهم مؤثری دارند .
مکانیسم تشکیل رسوب در دیگ بخار
در اثر وجود املاح و رسوب محلول در آب سه حالت مختلف رسوب در دیگ بخار و دستگاههای جانبی آن تشکیل می گردد .
الف) رسوبات نرم کم که به جداره ها نمی چسبند .
ب) رسوبات نیمه سخت که به جداره ها می چسبند ولی به آسانی از جداره جدا نمی گردند .
رسوبات نوع سوم در دیگ های بخار ایجاد مشکل می کنند ، بنابراین لازم است آب به شیوه ای تصفیه گردد که بتواند آب مناسب جهت تغذیه آب دیگ بخار را فراهم کند و درون دیگ رسوب ایجاد نشود .
ایجاد رسوب درون دیگ بخار به دو دلیل عمده زیر می باشد .
الف) تغییر در کیفیت شیمیایی آب به هنگام ورود در دیگ بخار
در این فرآیند کلسیم بی کربنات که دارای حلالیت زیادی است به کلسیم کربنات که دارای حلالیت بسیار کمی است ، تبدیل می شود و رسوب می نماید .
ب) کاهش حلالیت املاح موجود در آب به دلیل افزایش دما
تغییر در مکان های مختلف یک سیستم موجب می شود که در اثر بالا بودن دما در مجاورت سطوح دیگ بخار املاح موجود به صورت فوق اشباع درآیند و کریستال های رسوب تشکیل شوند و نیز در صورت ایجاد هسته های اولیه ، رسوبات روی سطوح فلز دیگ بخار ته نشین می گردند .
به طور کلی برای ته نشین شدن املاح موجود در آب شرایط زیر لازم می باشد .
۱) فوق اشباع شدن :
مهم ترین شرط برای تشکیل رسوب فوق اشباع بودن محلول است . تغییرات در دما ، فشار ، PH ، تبخیر و تغلیظ از جمله عوامل به وجود آمدن یک محلول فوق اشباع می باشند .
آب ورودی به دیگ های بخار که در مجاورت جداره های گرم دیگ قرار می گیرد پس از مدتی به صورت فوق اشباع درمی آید زیرا با بالا رفتن دما در این ناحیه حلالیت کاهش می یابد ولی در نواحی دور از جداره ها این پدیده روی نمی دهد .
۲) ایجاد هسته های اولیه :
وجود هسته های اولیه موجب تشکیل ذرات رسوب می گردد . عوامل مختلفی مانند ذرات گردوغبار ، رسوبات قبلی ، ذرات ایجاد شده از خوردگی و غیره می توانند به عنوان هسته های اولیه ایجاد رسوب عمل کنند .
۳) زمان تماس :
پس از فوق اشباع شدن محلول و ایجاد هسته های رسوب ، برای رشد ذرات و ته نشین شدن آنها به فرصت کافی نیاز می باشد .
ترکیبات کلسیم (Ca) ، منیزیم (Mg) ، آهن (Fe) ، مس (Cu) ، آلومینیم (Al) و سیلیس از عوامل رسوب کننده مهم در آب تغذیه دیگ های بخار می باشند .
این رسوبات به دو حالت ممکن می باشد :
(A رسوبات کرستاله شده بر روی سطح
(B رسوبات لجنی بدون شکل و غیر یکنواخت
مشکلات حاصل از تشکیل رسوب در دیگ بخار
ایجادرسوب درجداره دیگ بخار دواشکال عمده به وجود می آورد که عبارتند از:
الف) رسوبات حاصل از املاح موجود در آب تغذیه دیگ های بخار مانند یک لایه عایق عمل می کنند و انتقال حرارت را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهند . ساختمان رسوب ، خلل و فرج موجود در آنها ، ضخامت لایه رسوب بر روی دیواره و شرایط دیگ بخار در مقدار اتلاف حرارت مؤثر نمی باشد .
این رسوبات به دلیل کاهش میزان انتقال حرارت از قدرت تولید بخار می کاهد و موجب پایین آمدن راندمان دیگ های بخارمی گردد ویابه عبارت دیگر مصرف انرژی برای تولید میزان مشخص بخار را افزایش می دهد .
ب) رسوبات دیگ بخار موجب کاهش انتقال حرارت و افزایش بیش از حد دمای فلز Over heat می گردد که در نتیجه باعث تخریب ساختار فلز و در نهایت ترکیدن آن می شود . بدیهی است حساسیت دیگ های بخار مدرن که میزان انتقال حرارت در آنها بالا است بیشتر می شود .
ضریب انتقال حرارت برای رسوبات مختلف متفاوت است . این مقدار برای رسوبات کلسیم کربنات بیشتر است . خلل و فرج موجود در رسوبات نیز ضریب انتقال حرارت را تغییر می دهد . اگر این خلل و فرج ها توسط گاز پر شوند انتقال حرارت به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد .
میزان خلل و فرج موجود در رسوبات نیز به درجه فوق اشباع بودن ، هسته های اولیه ، دما، فشار و شرایط محیط بستگی دارد . اگر رسوب گذاری سریع باشد رسوبات متخلخل ، نرم و غیر چسبنده می باشند . رسوبات با گذشت زمان سخت تر و چسبنده تر می گردد .
عوامل مؤثر در رسوب گذاری در دیگ بخار
PH
PH در رسوب گذاری کلسیم کربنات ، منیزیم هیدروکسید و ترکیبات آهن بسیار مؤثر است . افزایش PH میزان رسوب را زیاد می کند.
سرعت سیال
سرعت سیال اثر متفاوتی بر روی رسوب گذاری املاح دارد . افزایش سرعت می تواند شدت تشکیل رسوب را کاهش و یا افزایش دهد زیرا سرعت سیال بر لایه مرزی اطراف جداره ها تأثیر دارد .
بدیهی است هرکدم از پدیده های انتقال حررات ، انتقال جرم ، انتقال ممنتوم در رسوب گذاری و مقدار آن مؤثر می باشد .
گازهای محلول در آب
افزایش دما موجب کاهش حلالیت گازهای محلول در آب ، تشکیل و ترکیدن حباب در سطح آب و فوق اشباع شدن املاح در فصل مشترک آب و بخار می شود .
کلسیم کربنات در اثر تجزیه کلسیم بی کربنات تولید رسوب
می کند . کلسیم سولفات حلالیت بسیار بیشتری نسبت به کلسیم کربنات دارد . کلسیم فسفات و کلسیم سیلیکات رسوبات چسبنده ای را در دیگ بخار ایجاد می کنند .
منیزیم Mg در دیگ های بخار به فرم هیدروکسید ، فسفات و سیلیکلات رسوب می کند . سیلیس بیشرت به شکمل کمپلکس رسوب می کند و بسیار چسبنده می باشد که لازم است در آب ورودی به دیگ بخار میزان سیلیس به حداقل برسد . همچنین با افزایش قلیائیت میزان رسوب گذاری آن کاهش می بابد .
وجود روغن در آب دیگ بخار موجب حمل قطرات جامد در فاز بخار می شود و نیز چون روغن در روی سطح آب دیگ بخار همانند عایق عمل می نماید ، به دلیل جلوگیری از انتقال حرارت موجب کاهش راندمان و افزایش تریکدگی لوله ها می شود . روغن نیز می تواند وارد خلل وفرج رسوبات شود و موجب سختی رسوبات گردد .
جلوگیری از تشکیل رسوب در دیگ بخار
برای جلوگیری از ایجاد رسوب از تصفیه داخلی آب استفاده می شود . در تصفیه خارجی آب معمولاً از شیوه های زلال کننده ؛ تقطیری ، اسمز معکوس ، الکترودیالیز و یا تعویض یونی استفاده می گردد .
گاهی لازم است از تلفیق دو شیوه مختلف ، آب لزوم در صنعت تهیه گردد . در تصفیه داخلی سعی می گردد از ایجاد رسوب توسط مواد بای مانده در آب تغذیه جلوگیری گردد . رسوبات لجنی به راحتی توسط زیر آب زدن دیگ بخار حذف می شوند .
برای حذف رسوبات پوسته ای لازم است با افزودن مواد شیمیایی به آب در تصفیه داخلی فرآیند تبدیل به رسوبات لجنی انجام پذیرد . در جدول زیر تعدادی از این گونه مواد شیمیایی آورده شده است .
مواد شیمیایی افزودنی به آب برای جلوگیری از رسوب گذاری باید به اندازه کافی باشد، ولی به طور معمول مواد شیمیایی را اضافه تر از میزان استوکیومتری مصرف می کنند . به هر ترتیب قبل از افزودن هر ماده شیمیایی به آب تغذیه دیگ های بخار باید شرایط مناسب برای رسوبات لجنی آماده گردد . این شرایط عبارتند از :
- سختی آب
- قلیائیت
خوردگی در دیگ بخار
جلوگیری از خوردگی دیگ بخار و دستگاههای جانبی آن یکی از دلایل پراهمیت کنترل آب دیگ بخار است . دلیل اصلی خوردگی دیگ های بخار به عوامل زیر بستگی دارد .
- مقدار نامناسب اکسیژن .
- نامناسب .
- وجود یون های نامناسب .
- وجود گازهای محلول .
- میزان بالای مواد محلول ( بالا ) .
- قلیائیت نامناسب .
- میزان سیلیس زیاد .
- خوردگی آهن در آب در شرایط عدم حضور اکسیژن :
با توجه به این که پتانسیل آهن در آب در شرایط عدم حضور اکسیژن از پتانسیل هیدروژن در جدول اکسیداسیون و احیاء پایین تر می باشد ، برطبق واکنش زیر خورده می شود .
در آب خالص محصول خوردگی فروهیدروکسید می باشد که به و هیدرولیز می شود و موجب افزایش سیستم می گردد ونیز تولید رسوب در سطح فلز می نماید . افزایش درجه حرارت و شرایط محیط موجب تشکیل فیلم محافظ مگنتیت بر روی سطح فلز می شود که به مقدار بسیار زیادی از خوردگی آهن جلوگیری به عمل می آورد .
زمان و دما
آزمایش های انجام شده نشان می دهد که در بالاتر از دمای فقط مگنتیت موجود می باشد .
به بالا
خوردگی آهن در آب در شرایط حضور اکسیژن :
فروهیدروکسیدی که در شرایط حضور اکسیژن تشکیل می شود با حضور اکسیژن ناپایدار می باشد و به فریک هیدروکسید تبدیل می گردد . تجربه نشان داده است که معمولاً بدون کنترل شیمیایی دقیق در این شیوه خوردگی بیشتر می شود و به طور خلاصه واکنش آهن ، آب و اکسیژن را می توان به صورت زیر خلاصه کرد .
فریک هیدروکسید به طور محسوسی در آب غیر محلول می باشد و لذا روی سطح فلز رسوب می کند . در ضمن این رسوب خاصیت حفاظتی ندارد و در اثر مرور زمان و درجه حرارت به آلفا فریک اکسید قرمز رنگ که محصول نهایی خوردگی می باشد تبدیل می گردد .
زمان و دما
لازم به تذکر است که نباید هماتیت را با که لایه محافظی است اشتباه نمود . خوردگی توسط اکسیژن و تشکیل هماتیت با ایجاد حفره های آبله گون مشخص می گردد .
کاهش ، سرعت خوردگی را همراه با افزایش بیشتر حفره ها و نیز رشد آنها تشدید می کند . در صورتی که افزایش و شرایط مناسب موجب تشکیل فیلم اکسید محافظ سیاه رنگ مگنتیت می گردد .
همچنین شرایط مطلوب آب در حدود ۷ و میزان کنترل شده اکسیژن
(درحدود ) موجب تشکیل فیلم محافظ می گردد .
معمولاً درمورد خوردگی از نوع اکسیژن ، سطح فلز زمانی فعال می گردد که اکسید سیاه رنگ احیاء شده Reduced Black Oxide در داخل حفره وجود داشته باشد و اطراف حفره ها از فریک اکسید قرمز رنگ تشکیل شده باشد .
بنابراین وجود اکسید سیاه رنگ داخل حفره مبین این نکته می باشد که خور دگی در داخل حفره متوقف شده و فعال نمی باشد . آزمایش های مختلف نشان می دهد که در فروهیدروکسید به و و در ترکیب با از دست دادن آب به تبدیل می گردد .
پژوهشگران زیادی درمورد لایه های اکسیدی تشکیل شده بر روی آهن در آب و در درجه حرارت های مختلف با مقادیر مختلف اکسیژن محلول مطالعه کرده اند .
نتیجه های حاصل شده توسط میکروسکوپ های الکترونی و دستگاه پراش اشعه ایکس (X-Ray diffraction) نشان می دهد که فیلم های تشکیل شده شامل به رنگ زرد مایل به نارنجی و محصول خوردگی معمولی می باشد .
در درجه حرارت های بالا ، فیلم های اکسیدی تشکیل شده شامل فیلم محافظ سیاه رنگ و فیلم محافظ قهوه ای پررنگ و به رنگ قرمز آجری
می باشد . فیلم تا حد کمی دارای خاصیت مغناطیسی می باشد و حضور این فیلم دلیل بر خوردگی در حضور اکسیژن محلول می باشد .
چگونگی جلوگیری از خوردگی دیگ بخار
دیگ بخار که علاوه بر ارزش ریالی به عنوان تولید حرارت و نیز در صنایع و مراکز تولید انرژی مورد استفاده قرار می گیرند باید در برابر عوامل خورنده و رسوب گذار حفاظت گردند و بهره برداری مناسب از آنها از مواد اساسی به حساب می آید ، زیرا بیشتر مشکلاتی که از نظر خوردگی یا رسوب های چسبنده مختلف که به دلایل گوناگون در دیگ های بخار پیش می آید به دلیل شیوه نامناسب بهره برداری و اب تغذیه آنها می باشد .
لذا برای بهره برداری بهتر و اجتناب از صرف مخارج اضافی لازم است آماده سازی آب مناسب برای دیگ های بخار مورد توجه قرار گیرد .
بی توجهی به مشکل خوردگی و تشکیل رسوب در لوله های دیگ های بخار علاوه بر کاهش راندمان به دلیل توقف ها و تعویض قطعات موجب خسارت های مستقیم و غیر مستقیم می گردد . همچنین ناخالص شدن بخارات در مسیرهای بالاسری و توربین های بخار و یا محل مصروف بخار مشکلات پیچیده دیگری را به وجود می آورد.
با توجه به نکاتی که ذکر گردید لازم است آب تغذیه دیگ بخار به شیوه ای تهیه گردد و به نحوی کنترل شیمیایی انجام پذیرد که تا حد ممکن مشکلات کمتر شود .
A مواد معلق
با ورود مواد معلق به دیگ بخار امکان خوردگی و رسوب گذاری در سطح گرماگیر آن وجود خواهد داشت و هنگامی که سوخت در اتاق احتراق می سوزد از گرمای حاصل شده از آن برای حرارت نهان جوش و تبدیل آب به بخار استفاده می گردد .
همچنین باید دمای لوله های دیگ بخار به نقطه تسلیم آن نزدیک نشوند زیرا چون لوله ها تحت فشار می باشند شروع به تغییر حالت می دهند و سپس می سوزند .
جریان آب موجود در لوله های دیگ بخار موجب می شود که دمای لوله ها به نقطه تسلیم حالتی از فلز است که در هنگام قرار گرفتن تحت کشش در یک نیروی معین که به تسلیم معروف است ، بدون اینکه احتیاج به نیروی کششی داشته باشد شروع به ازدیاد طول می کند .
بخار تشکیل شده املاح خود را در نواحی خود به جای می گذارد و موجب غلیظ شدن آب می گردد .
همچنین بخار در ابتدای تشکیل ، مقداری از مواد را در جداره لوله های عمودی دیگ بخار بر جای می گذارد و هنگامی که در سطح یک قسمت از لوله دیگ بخار رسوب تشکیل گردد .
جریان گردشی آب در آن قسمت کمتر می شود و در نتیجه دمای آن ناحیه نسبت به سایر مکان هایی که تمیزتر می باشند بالاتر می رود .
این افزایش دما موجب می شود که آب پس از ورود بلافاصله بخار و املاح خود را در آن بر جای گذارد . بالا رفتن غلظت املاح در این ناحیه موجب خوردگی نیز می گردد .
B کنترل آب
هرچه آب از حالت خنثی کمتر باشد حلالیت آهن در آب بیشتر می گردد . از این رو در صنایع آب بالاتر از ۷ تنظیم می کنند و چون با افزایش دما آب کاهش می یابد .
برای مثال در دمای میزان به حدود ۵۰۰ کاهش می یابد که در این حالت سرعت خوردگی در اثر اسیدی بودن آب افزوده می شود ، لذا در دمای زیاد بالا نگه داشتن آب به غیر از موارد ویژه لازم می باشد .
کنترل قلیائیت
قلیائیت آب دیگ بخار نیز در خورندگی و یا رسوب گذاری آب عامل بسیار مهمی است و مقدار مناسب آن بستگی به فشار بویلر دارد .
همچنین قلیائیت آب دیگ بخار باید به اندازه ای کافی باشد که لازم برای جلوگیری از خوردگی را ایجاد نماید . ثابت شده است که اگر قلیائیت کل کمتر از باشد ، شرایط قلیائیت مناسبی وجود ندارد .
بنابراین ترجیح داده می شود که قلیائیت نست به فنل فتالئین ۸۰%-۶۰% قلیائیت کل باشد . در چنین حالتی قلیائیت هیدروکسیل به اندزه ای هست که منیزیم محلول به صورت منیزیم هیدروکسید ته نشین گردد . قلیائیت فنل فتالئین بیشتر از این محدوده موجب کمک به نوعی شکنندگی بین کریستالینی فلز دیگ بخار می گردد .
کنترل سیلیس
اگر مواد معلق شامل سیلیس باشد ، سیلیس ذکر شده در آب دیگ بخار حل می گردد . این سیلیس حل شده در فشار بالا در فاز بخار وارد می گردد و در شرایط مناسب در لوله ها و قسمت مختلف توربین رسوب می کند . سیلیس بر اثر تراوش قطرات آب به درون جریان بخار و یا در دیگ های با فشار بالا ، توسط تبخیر مستقیم سیلیس به جریان بخار وارد می گردد . جدول ۳-۶
حد مجاز سیلیس در آب دیگ بخار را نشان می دهد
کنترل املاح محلول در آب (TDS)
برای دیگ های بخار فشار ضعیف آب خام می تواند با جزئی تصفیه به آب نرم تبدیل و مصرف گردد .
سختی آب دیگ بخار باید صفر باشد بنابراین تمام سختی باقی مانده ناشی از نشتی ها Leakages در آب تغذیه بویلر را به هر شیوه از آب حذف کرد .
چون در داخل دیگ بخار حذف سختی امکان پذیر نیست با افزودن مواد شیمیایی مناسب به آب دیگ بخار باید سختی های باقی مانده به صورت رسوباتی که خارج کردن آنها از دیگ بخار آسان باشد درآورد .
این نوع رسوبات که به دیواره نمی چسبد را لجن Sludge می گویند . تری کلسیم فسفات و کلسیم کربنات از این نوع رسوب می باشند ، در صورتی که کلسیم سولفات رسوبی سخت و چسبیده به دیواره می باشد .
برای دیگ های بخاری که در فشار کمتر از بهره بردار یمی وند ماده شیمیایی مناسب برای تبدیل سختی به صورت لجن ، سدیم کربنات می باشد ،
ولی بهتر و مفیدتر برای هر فشاری ، فسفات ها می باشند زیرا در فشار بالا تجزیه نمی شوند و در نتیجه کنترل کیفیت آب و بخار آسان تر می باشد .
اگر قلیائیت کافی بشاد انواع مختلف فسفات ها با سختی کلسیم آب دیگ بخار ترکیب می شوند و در نهایت تولید لجن مانند تری کلسیم فسفات ها می کنند و هرگاه با قلیائیت آب دیگ بخار پایین است باید از تری سدیم فسفات و یا در صورت نیاز دی سدیم فسافت استفاده کرد .
کنترل مواد آلی
مواد آلی شامل میکروارگانیسم ها و غیسره پس از متلاشی شدن تولید اسیدهای آلی و هیدروژن سولفوره و آمونیاک می نمایند .
اسیدهای آلی موجب خوردگی دیگ های بخار می گردند و هیدروژن سولفید تولید شده دو اثر مهم خواهد داشت . اول اینکه بر روی دیگ بخار به دلیل خاصیت اسیدی اثر می گذارد و دیگر اینکه سولفید آهن احیا کننده است و موجب از بین رفتن فیلم مغناطیسی آهن می گردد .
کنترل اکسیژن محلولی
اکسیژن محلول در آب تغذیه دیگ بخار را معمولاً به وسیله هوازدا (Dearator) به روش مکانیکی از آب حذف می کنند اما چون در این فرآیند نمی توان میزان اکسیژن را به حد مطلوب کاهش داد و نیز به دلیل نشت هوا به داخل بعضی از اجزاء سیستم انتقال آب داخل دیگ بخار ، همیشه مقداری اکسیژن محلول در آب موجود است .
اکسیژن می تواند در دمای بالا موجب خوردگی حفره ای Pitting شود ، بنابراین برای حذف کامل اکسیژن باید از روش شیمیای نیز استفاده گردد . در این شیوه می توان ، سدیم سولفیت را که جسمی ارزان است و به سهولت کاربرد دارد ، مورد استفاده قرار داد .
از نظر تئوری هر سدیم سولفیت می تواند یک میلی گرم در لیتر اکسیژن را حذف کند ولی به دلیل ناخالصی و نی زلزوم بلودان برای حذف اکسیژن حدود سدیم سولفات نیاز می باشد . ترکیب ذکر شده موجب افزایش و نیز تولید می گردد که موجب خورندگی می گردد . بنابراین بهتر است از هیدرازین استفاده شود .
تجزیه هیدرازین اضافی در دمای بالا موجب تشکیل آمونیاک و ازت می گردد.
اگر آمونیاک تولیدی زیاد باشد می تواند در مجاورت اکسیژن موجب خوردگی اتصالات و لوله های مسی گردد . مقدار هیدرازین لازم برای حذف اکسیژن برابر مقدار غلظت اکسیژن می باشد اما در عمل ، حدود یک و نیم تا دو برابر اکسیژن ، تزریق می کنند .
برای جلوگیری از ایجاد آمونیاک زیاد در آب دیگ بخار لازم است غلظت هیدرازین باقی مانده در اب بویلر از بیشتر نشود.
مزایای هیدرازین
- دارای راندمان بالا است .
- سریع واکنش می دهد .
- میزان اکسیژن باقی مانده بسیار کم خواهد شد .
- هیچ گونه ماده جامدی بر جای نخواهد گذاشت .
- مقدار جزئی هیرازین اضافی که تزریق می شود به آمونیاک تبدیل می گردد که این جسم مفید خواهد بود .
- با فریک اسید که محصول خوردگی آهن است ترکیب می شود و فیلم مقاوم اکسید مغناطیسی آهن را ایجاد می کند .
- با کوپریک اکسید که محصول خوردگی مس می باشد ترکیب و فیلم محافظ کوپروکسید را ایجاد می کند .
کنترل گاز کربنیک
اگرآب به صورت ذرات یرز در فشا پاشیده شود ، گازهای کربنیک حذف می شوند . روش های فیزیکی حذف اکسیژن می تواند در حذف گاز کربنتیک مؤثر باشد . گاز کربنیک نه تنها خود خاصیت خورندگی دارد بلکه خورندگی اکسیژن محلول را ینز تندتر می کند .
دو رشو حذف ، یکی خنثی کردن آن توسط گاززدا و دیگری تشکیل فیلم نازکی از رسوبت کربنات در سطوح حرراتی برای جلوگیری از خورندگی این گاز پیش بینی می شود .
موادی که برای زایل کردن دی اکسید کربن موورد استفاده ررا می گیرند به آب های کندانسه دیگ بخار وارد می شوند و موجب بالا رفتن آب دیگ بخار می گردند . مهم ترین موادی که می توان در این مورد استفاده کرد عبارتند از :
- آمونیاک که به دلیل اثر نامناسبی که بر روی آلیاژهای مس ، روی و آلومینیم دارد مصرف آن محدود می باشد .
- بنزیل آمین
- سیکلو هگزیل آمین
- مورفولین
- هیدروکینون
انتخاب یکی از موارد ذکر شده در بالا به ضریب تقسیم یا غلظت آن در فاز بخار بر غلظت آن در فاز مایع بستگی دارد . این ضریب تقسیم درمورد سیکلو هگزیل آمین حدود ۳ و برای مورفولین حدود ۵/۰ می باشد .
معمولاً هر ۶/۱ میلی گرم مورفولین می تواند یک میلی گرم گاز کربنیک را در حدود ۱۱ خنثی کند .
شکنندگی قلیایی فلز با دیگ بخار
غلظت قلیا ( سود سوزآور ) در آب دیگ بخار باید تحت کنترل باشد . چون سود ممکن است موجب نوعی شکنندگی قلیایی گردد . این پدیده هنگامی رخ می دهد که فولاد کربن دارد در دمای بالا و در حنضور سود سوزآور تحت تنش می باشد شرایط لازم برای این نوع شکستگی به شرح یزر است .
الف) فلز دیگ بخار تحت تنش باشد ( برای مثال به خاطر انبساط و یا انقباض)
ب) آب دیگ بخار در ناحیه تحت تنش نشست کند که در نتیه بخار زا آن ناحیه خارج شود و غلظت مواد جامد محلول در آب در آن ناحیه افزیش یابد .
پ) غلظت سود محلول در اب دیگ بخار در آن ناحیه افزایش یابد و به فلز حمله ور گردد . برای رفع این مشکل باید قلیائیت آب دیگ بخار را در مجاز کنترل نمود .
حمل قطرات مایع توسط بخار
معمولاً بخار آبی که از دیگ خارج می شود به صورت خالص نیست ، زیرا به طور کلی تمام املاح محلول در آب دیگ تا اندازه ای در بخار داغ (Super heated steam) ، تبخیر می شوند .
میزان تبخیر بستگی به نوع املاح موجود و فشرا عملیاتی دیگ دارد . به همین دلیل ، محدودیتی برای مقدار مجاز سطح بعضی املاح ، به خصوص سیلیس در آب دیگ قایل شده اند تا مقادیر املاح محلول و سیلیس در بخار آب ، به میزان کم و قابل قبولی تقلیل یابد .
وجود این که املاح را در بخار به نام تراوش شیمیایی (Chemical carry over) و یا مواردی که در ارتباط با خارج شدن ذرات آب با غبار است و به نام تراوش میکانیکی معروف است متمایز می باشد . درمورد اخیر ، قطرات ریز آب که همراه با مواد شیمیایی محلول در اب دیگ است با بخار ، خارج می گردد .
در دیگ هایی که بخار اشباع تهیه می کنند ، میزان خلوص بخار را با خشکی بخار یا رطوبت بخار مشخص می کنند ، و در دیگ هایی که بخار داغ تهیه می کنند با اصطلاح کامل املاح محلول بیان می نمایند .
در دیگ های لوله – آتشی مقدار آب موجود در بخار را با تقلیل سرعت بخار خروجی از سطح آب کنترل می کنند . در این دیگ ها درجه خلوص بخار اشباع درحدود ۹۸% فرض می شود . سرعت جدا شدن بخار از سطح آب در این دیگ ها نباید از تجاوز کند .
در دیگ های لوله – آبی که مجهز به مخزن های آب و بخار هستند و در مقایسه با دیگ های لوله – آتشی در یک ظرفیت معین ، قطر مخزن کوچکتری دارند ، با تعبیه سیستم جدا کننده ای که شامل مجموعه ای از دیوارها (Baffles) ، تورمی ها یا جدا کننده های سیلکونی در داخل دیگ است ، درجه خلوص بخار را تأمین می نمایند.
در دیگ هایی که بخار داغ تهیه می کنند ، درجه خلوص بخار یا یک جزء در میلیون و در کاربردهای ویژه بخار، کمتر از این مقدار است .
در خارج از دیگ نیز جدا کننده هایی در شبکه لوله کشی بخار – هم درمورد دیگ های لوله – آتشی و هم دیگ های لوله – آبی درنظر گرفته شده است که با انشعابات تند و ناگهانی موجب بهبود کیفیت بخار می گردند .
درجه خلوص پیشنهاد شده آب تغذیه و آب دیگ در فشارهای مختلف عملیاتی بخار در مجموعه استانداردها یا توسط سازندگان دیگ های بخار در راهارهای عملیاتی آنها ذکر شده است .
در یک تعریف کلی ، مقدار کل املاح محلول در دیگ باید کمتر از باشد . دره خلوص یا کیفیت بخار تحت تأثیر غلیان و کف کردن به شدت پایین می آید .
غلیان (Priming)
غلیان عبارت است از پاشیدن ذرات و توده های آب به فضای داخل دیگ بخار به عبارتی دیگر حمل مقدیر قابل توجه آب همراه بخار است . چنانچه حجم زیادی از آب به درون لوله بخار وارد شود ، خسارات جبران ناپذیری بر پره های توربین وارد می سازد ، چون قطرات آب با سرعت بخار که به یا ۱۸۰ کیلومتر در ساعت می رسد به پره ها برخورد می کند . غلیان توسط عوامنل زیر پیش می آید :
۱- بهره برداری از دیگ با بالا رفتن سطح آب در دیگ
۲- بهره برداری از دیگ با فشار پایین تر از نرمال ، که باعث افزایش حجم و بالا رفتن سرعت بخار می گردد . شکل (۳-۷)
۳- بهره برداری بیش از حد از دیگ که منجر به کاهش فشار دیگ و افزایش سطح آب به علت افزایش حجم بخار در زیر سطح آب می گردد .
کف کردن (Foaming)
کف کردن ناشی از ناخالصیهای موجود در آب ، عبارت است از تشکیل حباب هایی در سطح یا بالای آب است که به آسانی نمی ترکند و در نتیجه باعث تجمع حباب ها و حمل آن توسط بخار می شود که ضمن آن ذرات آب و املاح نیز همراه آن خارج می گردد .
آب خالص کف نمی کند و بنابراین حباب هایی بخاری که از آب تهیه شده کامل ، خارج می شوند ، به مجرد رسیدن به سطح آب می ترکند . کف کردن ، ناشی از وجود عوامل زیر در آب دیگ است :
۱- بالا بردن املاح معلق
۲- بالا بودن قلیائیت
۳- بالا بودن کامل املاح محلول
۴- آلودگی توسط پاک کننده ها ، و روغن ها و سایر موارد ارگانیکی
جلوگیری از کف ، با اضافه کردن مواد ضد کف صورت می گیرد ، ولی جلوگیری از شرایط ایجاد کننده کف در دیگ از طریق بهینه سازی کامل آب ، نتایج موثری را می دهد ، علاوه بر اینکه مواد ضد کف نیز همخواره نتیجه بخش نیستند .
روغن ها ، علاوه بر ایجاد کف باعث نشستن بر جداره های سطوح حرارتی سمت آب دیگ ، و در نتیجه عایق کردن این سطوح در مقابل آثار خنک کنندگی آب دیگ می شوند که در نهایت منجر به گداختگی و از کارافتادگی دیگ می گردند . بنابریان از ورود روغن به دیگ باید اکیداً خودداری کرد .
آزمایش آب تغذیه و آب دیگ
با مشخص شدن پارامترهای کنترل آب تغذیه و آب دیگ ، این موارد در کتابچه هایی که توسط سازندگان تهیه می شود در اختیار استفاده کنندگان قررا داده می شود و این وظیفه استفاده کنندگان است که شرایط مناسب آب را در محدوده ای مشخص جهت حصول حداکثر آمادگی و عمر دیگ ، تأمین نماید .
این امر مستلزم آزمایش های تجزیه ای منظم آب تغذیه و آب دیگ است که توصیه های سازندگان دیگ باید دقیقاً به کار گرفته شود .
در صورت عدم دسترسی به آزمایشگاهی مجهز در محل ، می توان از کیفیت های آزمایش که توسط سازندگان واحدهای بهینه سازی آب ارائه می شود ، استفاده کرد و کارکنان را با آن آشنا کرد .
دمیدن بخار (Steam blowing)
قبل از راه اندازی توربین های بخار ، ابتدا تمام شبکه های داغ کننده بخار و لوله های مربوطه را با بخار آب شستشو می دهند . با بخار آب و با سرعتی بالاتر از (Maximum continuous rating) MCR به محلی کم فشار ( معمولاً فضای باز ) با دمیدن بخار شستشو می دهند .
در مقابل دهنه خروجی بخار صفحهع فولادی صاف قرار می دهند که با برخورد ذرات ناخالص ناشششی از رسوبات وفلزهای جوشکاری ، خراش هایی بر این صفحه وارد می شود .
دمیدن بخار و تعویض صفحه تا قطع کامل خراش ها و اطمینان از تمیز شدن کامل میسر بخار ادامه می یابد .
برای ایمنی بیشتر ، می توان لوله کشی ویژه ای جهت خروجی بخار درنظر رگفت .
در مجموعه ای از دیگ های بخار ، با گسترش لوله کشی شبکه و مصرف کننده های مختلف ، توجه بیشتری به پاک شدن مسیر بخار ضرورت دارد