دیگ فولادی

 دیگ فولادی

دیگ فولادی با توجه به روش انتقال گرما از گازهای حاصل به آب تغذیه در دو نوع وجود دارد .

• fire tube
• Water tube

دیگهای فولادی fire tube لوله های جریان که از مقداری لوله موازی-متصل تشکیل شده در معرض گازهای حاصل از کوره قرار داده میشوند.

سپس لوله ها از میان بدنه دیگ فولادی که آب تغذیه را هم شامل میشوند گذر میکنند که در نتیجه توسط آ ب پوشیده میشوند. حرارت گازهای حاصل از طریق لوله های 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 tubeدر لوله ها آتش میگیرند.

 Water tube و Fire tube مقایسه

به طور خلاصه میتوان تفاوت های اصلی این دو نوع دیگ فولادی را تصویر زیر قابل مشاهده می باشد.

انواع بویلر Fire tube

این نوع بویلرها را به دو دسته طبقهبندی میکنند:

1. ۱٫ 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

       این گونه دیگهای فولادی را در سه مدل ساخته میشوند

• Horizontal Tubular
• .است ۱۷bar در فشار نهایی ۵m³/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 ۱۳۵۰۰^BTU است و نوع لوله قائم آن برای تولید ۵^m³/hr بخار اشباع ساخته می شود.^[۲^]

یک بویلر ^{Fire tube} به همراه قسمتهای مختلف آن به نمایش درآمده است.

ساختار دیگ

Water tube

در دیگ فولادی Water tube شرایط برعکس نوع Fire tube است. آب در تعداد زیادی  لوله های موازی گردش میکند، لوله ها در میان جریان گازهای حاصل از کوره قرار داده شدهاند و به وسیله حرارت ناشی از همان گازها گرم میشوند.

در یک دیگ فولادی ، لوله هایی 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)( همانند نوع Fire tube نوع Water tube  به جای آتش در لوله ها 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.

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) تصویر۱۲( 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

20. 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 نوع^{parallel flow} و نوع^{counter 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.

21. نمودار هایT-Q

یک وسیله کاربردی برای طراحی مبدلهای حرارتی نمودار T-^Q  است. این نمودار از ۲ 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)تصویر۱۳(. اگر مبدل از نوع جریان ناهمسو باشد خطها در جهت مخالف همدیگر قرار میگیرند)تصویر۱۴( طول خطهای بر روی محور^Q، مقدار حرارت انتقالی و بر روی محور^T  افزایش/کاهش دمایی را که ناشی از انتقال حرارت است، نشان میدهند.

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 ((T_pinch 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

نمودار T-Q

. 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 ۲ 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 ۳ مرحله انجام میشود )تصویر۶( مدل مبدل حرارتی معمولا به حداقل۳ 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 اکونومایزر^۱گفته 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 دمای۵۵۰- ۶۰۰ را تحمل کنند.

نتیجه یک مجموعه مبدلهای حرارتی یک ^HRSG)با یک سطح فشار( میشود که میتوان آن را در تصویر۱۶ دید و نمودار  T-^Q  آن هم در تصویر نمایش داده است.

مدلهای مبدل حرارتی بویلر های کوره دار

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 ۶۰۰c 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 ۱۰۰۰ 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  گفته میشود .

در نتیجه یک مدل مبدل حرارت برای بویلرهای کوهدار ساخته میشود) مثل بویلر PCF ، بویلرGrate(.[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 ۳ دسته ایده آل-کامل و ناقص طبقهبندی میشوند. بویلرها به دو نوعWater- ^tube  و F^{ire tube} طبقهبندی میشوند که در نوع W^{ater 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