دیگ بخار

دیگ بخار ظرف بسته حاوی آب یا مایعات دیگر  است که  به وسیله منبع گرمایی، گرم شده درنهایت مایع داغ یا بخار تولید می کند.

تعداد و سایز لوله ها ، نوع سوخت و ابعاد فیزیکی بویلر بستگی به این دارد که بویلر برای چه عملی )آب ،بخار یا حرارت( طراحی شده هست  .

منبع گرمایی دیگ بخار که آب را تبدیل به بخار می کند می تواند انرژی گرمایی حاصل از انرژی هسته ای ، سوخت های فسیلی )گازوئیل ، گاز یا زغال ( ، الکتریکی ، گاز طبیعی و یا حتی حرارت اتلافی حاصل از فرآیندهای صنعتی باشد.

دیگ بخار انواع مختلفی دارند که بنا به کاربرد آنها در صنعت ظرفیت ، دما و فشار متقاوتی دارند.اما نوع متداول آنها در صنعت که به وفور یافت می شود دیگ بخار فایر تیوب افقی می باشد.

دیگ بخار شامل یک محفظه استوانه ای ، محفظه اشتعال و لوله های آتشی می باشد.

در این دیگ بخار محفظه استوانه ای طوری طراحی شده که حرارت تولید شده از مشعل گاز از محفظه اشتعال به درون لوله های آتشی جریان دارد.

اطراف تمام لوله های داخل دیگ بخار توسط آب احاطه شده و انتقال حرارت بین آب و پوسته بیرونی لوله ها به راحتی انجام می شود. تعداد لوله ها و سایز آنها بستگی به طراحی دیگ بخار و ظرفیت تولیدی آن دارد .

چه کسی دیگ بخار را اختراع کرد

تاریخچه بویلرهای مولد بخار به سالهای ۰۰۱۱ و اوایل ۰۰۱۱ میلادی برمیگردد که بویلرهای ساده ای که آب را به بخار تبدیل می کردند گسترش یافتند.

آب بالای محفظه احتراق و جدای از آن بود . جیمز وات تغییرات مهمی در اختراع نیوکومن به عمل آورد که می توان او را مخترع اولین ماشین بخار دانست. درباره اینکه چه کسی اولین بویلر مولد بخار را گسترش داد خیلی بحث شده ، و اکثرا به استیون ویلکاکس و جورج بابکاک اشاره می کنند.

 تاریخچه دیگ بخار

بیشترین سیر تکامل دیگ های بخار در ماشین های بخار یا موتورهای بخار بوده  . انقلاب صنعتی که بزرگترین تغییر در کوتاهترین بازده زمانی از تاریخ تمدن است، پیشرفت خود را مدیون ماشین بخار است .

بررسی و کاربرد بویلرها در کشتی های بخار در طول زمان کمک خواهد کرد تغییرات و تاریخچه موتورهای بخار و دیگ های بخار را بهتر بشناسیم. در ادامه تاریخچه مختصری از دیگ های بخار را توضیح می دهیم

دیگ بخار صنعتی قدیمی که بخار مورد نیاز یک موتور بخار ثابت را تامین میکرده

 The Plain Cylinder Boiler (بویلر سیلندر شکل ساده)

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

این دیگ بخار از یک محفظه سیلندر شکل فلزی با انتهای کروی شکل به صورت افقی تشکیل شده. بعضی از این بویلرها تا ۰۱ متر طول داشتند. نصف سیلندر از آب پر شده و آتش یک سمت آن روشن می شود.

گازهای داغ حاصل از اشتعال همچنان که در تصویر پیداست ابتدا زیر سیلندر به سمت انتهای سیلندر حرکت می کنند. این کانال “دودکش” نام دارد و از آجر در سه سمت طرف شده.

پهلوی چپ و راست سیلندر نیز دو دودکش دیگر وجود دارد که به هم مرتبط هستند.

گازهای مشتعل شده ابتدا زیر سیلندر جریان پیدا کرده و سپس به پهلوی چپ و راست سیلندر رفته و در نهایت با طی مسافت ۶۳ متر)سه بار ابتدا تا انتها( از دودکش خارج می شود. در طول این پروسه با تبادل حرارت گازهای داغ با پوسته بیرونی سیلندر آب درون آن داغ شده و تبدیل به بخار می شود.

سرعت اشتعال سوخت به وسیله خفه کن یا تعدیل کننده) damper( دودکش کنترل می شود.

بالا آوردن یا پایین آوردن تعدیل کننده باعث کنترل مقدار هوای ورودی می شود. ورود هوای بیشتر باعث اشتعال سریعتر و داغ تر شدن و نهایتا ایجاد بخار بیشتر می شود. هوای کمتر باعث صرفه جویی در سوخت و تولید بخار کمتر می شود.

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

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

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

عیب اساسی دوم که خیلی خطرناک بود عبور گازهای داغ طی ۶۳ متر دودکش بود.

با عبور گازها از ابتدای مسیر تا انتهای مسیر و خنک شدن گاز  طی مسیر ، سه طرف )پایین و پهلوی چپ و راست( سیلندر با دماهای متفاوتی گرم می شدند و همین اختلاف دما با ایجاد استرس بزرگی در  فلز ، منجر به انفجار دیگ بخار و سیلندر میشد.

 The Cornish Boiler (بویلر کورنیش)

استفاده از بویلر بخار در سیستم حمل و نقل اگر چه خطر داشت ولی امکان پذیر شد. تا آن زمان طراحان دیگ بخار دودکش را در زیر سیلندر آب قرار می دادند.

برای انتقال حرارت بیشتر در این نوع طرح ، گاز حاصل از اشتعال را چندین بار دور سیلندر آب می چرخاندند. اما در این بین بعضی نوابغ این ایده را مطرح کردند که محفظه دودکش درون سیلندر آب باشد.

بویلر کورنیش چندین تغییر در طراحی ایجاد کرد. اول اینکه دودکش درون یک لوله به قطر ۰۱ سانتیمتر یا بیشتر درون محفظه استوانه ای آب قرار گرفت که دور تا دور آن را آب فرا می گرفت. قرار گرفتن تمام سطح دودکش باعث بهترین انتقال حرارت میشد.

مانند دیگهای سیلندری ساده ، آتش و گازهای داغ سه بار مسیر زیرین و پهلوهای چپ و راست را طی می کند اما این تفاوت که ترتیب حرکت گازها در آن تغییر کرد.

گازهای داغ بعد از ترک دودکش شماره یک )تیوب احاطه شده با آب درون سیلندر( به دو قسمت تقسیم می شوند و همزمان به دو مسیر پهلوهای چپ و راست سیلندر هدایت می شوند.

در جلوی بویلر گازهای داغ دوباره به هم می پیوندند و از مسیر زیر سیلندر آب عبور می کنند. چون حرارت مستقیما به کف سیلندر منتقل نمی شد این طراحی باعث تمیزتر ماندن دیگ بخار و افزایش کارایی آن شد.

انتهای صاف سیلندر دیگر تغییر طراحی بود. بویلر کارنیش در مقایسه با بویلر استوانه ای معمولی  با تبادل گرمایی بهتر ، بخار بیشتر در فشار بیشتر و زمان کمتر تولید می کرد.

چیزی که در این طراحی نادیده گرفته شد، انبساط فلز دودکش در اثر حرارت بود. تیوب داخلی با حرارت بسیار بالایی که داشت در اثر انتقال حرارت تغییر طول می داد و باعث ایجاد برآمدگی در انتهای بویلر میشد.

این چهار مکان انتقال حرارت در این نوع بویلر باعث ایجاد استرس در دو طرف بویلر میشد که “متلاشی شدن دودکش” نام گرفت که نوعی دیگر از انفجار دیگ بخار هست.

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

The Lancashire Boiler(بویلر لانکاشر)

ساختار بویلر لانکاشر شبیه نمونه قبلی آن یعنی کورنیش بود البته با برخی اصلاحات که در ایمنی و کارآیی آن را خیلی بهبود بخشید. اولین پیشرفت ، تعداد کوره ها بود. هر بویلر دو کوره داشت که کاملا مجزا که در کنار یکدیگر قرار داشتند. هر کوره سیستم دودکش و تخلیه مجزا داشت.

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

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

هر کوره زمان اشتعال متفاوتی دارد. این بدان معناست که یک کوره همیشه بیشترین حرارت را تولید می کند و آن حرارت پروسه اشتعال را در هر دو کوره افزایش می دهد. چیزی شبیه دمیدن در ذغال که سرعت سوختن را افزایش می دهد.

مکش هوای بیشتر اجازه می دهد اشتعال با سوخت کمتری ایجاد شود. این احتراق در دودکش زیرین سیلندر نیز جریان پیدا می کند و انتقال حرارت را افزایش می دهد.

بویلر لانکاشر سه دودکش دارد. اولین دودکش همان تیوب فلزی هست که توسط آب احاطه شده . گازهای داغ از دودکش اول به سمت دودکش دوم که زیر سیلندر قرار دارد هدایت می شود و سپس به پهلوهای بویلر که دودکش سوم هست جریان می یابد.

هر کوره سیستم مجزای خود را دارد. گازهای باقی مانده در کوره سمت راست با گازهای کوره سمت چپ مخلوط نمی شوند تا زمانی که به تقاطع دودکش می رسند.

تغییر مهم دیگر ایجاد تیوب های حاوی آب داخل کوره که باعث انتقال حرارت بیشتر میشود.

این لوله ها مانند یک سفت کننده کوره را در مقابل انبساط و متلاشی شدن تقویت می کند. استفاده از این تیوب ها باعث بخار بیشتر و فشار سریعتر و بیشتر خواهد شد. فشار بخار بیشتر باعث قدرت و کارآیی بیشتر موتور و سرعت بیشتر آن می شود.

افزایش کارایی بویلرها باعث کوچک شدن اندازه آنها شد. دو متر قطر و طول ۰ متر. تغییر اساسی دیگر بهبود اتصالات و استحکام بویلر در مقابل تغییر حالت انتهای بویلر یا انفجار آن شد.

مشکل اساسی این نوع بویلر ها وقتی پیش می آمد که سطح آب درون دیگ کاهش پیدا می کرد و فشار به طور وحشتناک بالا میرفت که گاهی منجر به انفجار دیگ بخار می شد.

برای جلوگیری از انفجار بویلر سوپاپ ایمنی سطح آب اختراع شد. سوپاپ اطمینان توسط یک شناور که با تغییر سطح آب شیر را باز یا بسته می کند ، کنترل می شود.

اما این به تنهایی کافی نبود و سوپاپ ایمنی فشار بخار نیز طراحی شد. زمانی که فشار بویلر از یک حد معین بیشتر می شد، این سوپاپها باز شده شده و باعث کاهش فشار سیستم می شدند.

 The Upright “Fire Tube” Boilers (دیگ بخار فایرتیوب ایستاده)

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

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

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

سایز کوچک و سرعت آن باعث شد که خیلی سریع رشد کند . در سالهای ۰۰۱۱ میلادی این نوع بویلر همه جا یافت میشد. از این بویلر برای کشتی های بخار کوچک و گرم کردن خانه استفاده می کردند.

دیگ بخار اسکاتلندی(The Scotch Boiler)

مهندسان و طراحان دیگ بخار مدت ها بود متوجه ارتباط مقدار حرارت تولید شده در کوره و قابلیت جذب حرارت آب شده بودند، گسترش سطح تماس با آب منجر به تبادل حرارتی بیشتر میشد.

مانند بویلرهای کورنیش و لانکاشر ، بویلر اسکاتلندی دارای کوره داخلی بود . استفاده از صفحه های موج دار و پیچ ها باعث استحکام آن شد.

این بویلرها از نوع فایرتیوب افقی بودند . یک بویلر با قطر سه متر و طول ۳ متر به صورت معمول دارای ۰۶۰ لوله آتشخوار بوده. این لوله ها بالای محفظه کوره و زیر آب قرار می گرفتند.

گازهای داغ از کوره اصلی که با آب احاطه شده به انتهای طرف دیگر می رفتند و از آنجا وارد محفظه ای می شدند که اجازه می داد مستقیما به درون لوله های آتشخوار جریان یابند. و در انتها از دودکش خارج شوند .

قابلیت تولید سریع بخار و جمع و جور بودن آن باعث کاربرد وسیع آن در کشتی و صنعت شد.