[تجهیزات انتقال حرارت] - بویلر چیست - boiler

[P O U R I A]

بویلر (boiler) یک مخزن (vessel) بسته است که در آن به آب و یا سیالات دیگر حرارت داده می‌شود. سیال لزوما جوشیده نمی‌شود. عبارت دیگ معمولا در حالتی که هدف جوشاندن سیال نیست مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیال حرارت داده شده از بویلر خارج می‌شود و در فرآیندهای مختلف و یا گرمایش استفاده می‌شود. بویلرها در صنایع مختلفی از جمله گرمایش مرکزی (central heating)، نیروگاه (boiler-based power generation) پخت و پز (cooking) و ضدعفونی (sanitation) استفاده می‌شوند.


متریال بویلر
مخازن تحت فشار (pressure vessel) بویلر معمولا از فولاد یا فولاد آلیاژی ساخته می‌شوند. استفاده از استنلس استیل در بخش‌های مرطوب بویلرهای مدرن عملا به وسیله کد بویلر ASME ممنوع است اما اغلب در بخش‌های سوپرهیتر (superheater) بویلر که با آب مایع در تماس نیستند استفاده می‌شود.

سوخت بویلرها
منبع حرارتی بویلرها احتراق یک نوع سوخت مانند چوب، زغال سنگ، نفت، یا گاز طبیعی است. بویلرهای بخار برقی (electric steam boilers) از المنت‌های حرارتی استفاده می‌کنند. شکافت هسته‌ای نیز به عنوان یک منبع حرارتی برای تولید بخار استفاده می‌شود. مولدهای بخار بازیافت حرارتی (heat recovery steam generators) یا HRSGها از حرارت تلف شده از فرآیندهای دیگری مانند توربین‌های گاز (gas turbines) استفاده می‌کنند.

 

[P O U R I A]

انواع آرایش‌های بویلرها

بویلر دیگی (Pot boiler/Haycock boiler): نوعی کتری ابتدایی است که در آن آتش یک منبع آب نیمه پر را از زیر گرم می‌کند. این بویلرها راندمان بسیار پایینی دارند و امروزه کاربرد آن‌ها منسوخ شده است.

بویلر فایر تیوب (fire tube boilers): در مخزن بویلر فایر تیوب آب نیمه پر و حجم کوچکی در بالا به عنوان فضای بخار باقی مانده است. منبع حرارتی داخل کوره (furnace) یا فایر باکس (fire box)‌ همواره در تماس با آب نگه داشته می‌شود و دمای سطح گرمایشی را درست در زیر نقطه جوش نگه می‌دارد. کوره را می‌توان در یک سر فایر تیوب قرار داد که باعث افزایش طول مسیر گازهای داغ و در نتیجه افزایش سطح گرمایش می‌شود. افزایش طول مسیر را می‌توان به وسیله حرکت دادن گازها در مسیر عکس از راه یک لوله موازی و یا مجموعه ای از لوله‌ها افزایش داد که به آن بویلر دو گذره یا دو پاس (two-pass boiler) یا بویلر با برگشت دود (return flue boiler) می‌گویند؛ در حالت دیگر می‌توان گازها را به کناره‌ها و به زیر بویلر و دودکش فرستاد که به آن بویلر سه گذره یا سه پاس (3-pass boiler) گفته می‌شود. بویلرهای فایر تیوب معمولا دارای نرخ نسبتا پایین تولید بخار ولی ظرفیت بالای ذخیره‌سازی بخار هستند. بویلرهای فایر تیوب بیش‌تر سوخت جامد می‌سوزانند اما با سوخت‌های مایع یا گاز نیز سازگار هستند.

بویلر فایر تیوب​

بویلر فایر تیوب دو پاس

بویلر فایر تیوب سه پاس
​

 

[P O U R I A]

بویلر واتر تیوب (water-tube boiler): در این نوع بویلرها، لوله‌های آب با آرایش‌های مختلفی در داخل یک کوره قرار می‌گیرند. لوله‌های آب معمولا درام‌های (drums) بزرگ را به هم متصل می‌کنند. درام پایینی دارای آب و درام بالایی دارای بخار و آب است. در موارد دیگر مانند یک بویلر تک تیوبی (monotube boiler)، آب توسط پمپ از میان تعدادی کویل عبور می‌کند. این نوع بویلر نرخ تولید بخار بالایی می‌دهد اما ظرفیت ذخیره‌سازی کم‌تری نسبت به بویلرهای فایر تیوب دارد. بویلرهای واتر تیوب را می‌توان برای بهره‌برداری از هر منبع گرمایی طراحی کرد و به طور کلی در کاربردهای فشار بالا مناسب‌تر است، زیرا آب/بخار فشار بالا در داخل لوله‌های با قطر کوچک قرار دارند که می‌توانند فشار را با ضخامت کم‌تری تحمل کنند.

بویلر واتر تیوب
​

بویلر فلش (flash boiler): نوع خاصی از بویلر واتر تیوب می‌باشد.


بویلر فایر تیوب با فایر باکس واتر تیوب (fire-tube boiler with Water-tube firebox): گاهی دو نوع بویلر فایر تیوب و واتر تیوب با هم ترکیب می‌شوند؛ به صورتی که فایر باکس شامل مجموعه‌ای از لوله‌های آب می‌شود که به آن‌ها ترمیک سیفون یا سیفون‌های حرارتی (thermic siphons) گفته می‌شود. سپس گازها از میان یک بویلر فایر تیوب معمولی عبور می‌کنند.


بویلر تکه‌ای (sectional boiler): در یک بویلر چدنی تکه‌ای، آب در داخل بخش‌های چدنی قرار می‌گیرد. این بخش‌ها در سایت مونتاژ می‌شوند و بویلر نهایی را ایجاد می‌کنند.

بویلر تکه‌ای

​

 

[P O U R I A]

ایمنی بویلرها

برای تعریف ایمنی بویلرها، برخی از سازمان‌های تخصصی حرفه‌ای مانند انجمن مهندسان مکانیک آمریکا (ASME) استانداردها و کدهای مقرراتی را ایجاد کرده است. به عنوان مثال، کد بویلر و مخازن تحت فشار ASME استانداردی است که طیف گسترده‌ای از قوانین و توصیه‌ها را برای اطمینان از انطباق بویلرها و دیگر مخازن تحت فشار (pressure vessels) با استانداردهای ایمنی، امنیت و طراحی فراهم کرده است.

بویلری که آب ورودی آن قطع شده است، می‌تواند خشک شود و خطر بسیاری دارد. اگر پس آب تغذیه (feed water) به بویلر خالی فرستاده شود، جریان کوچک آب ورودی بلافاصله در تماس با پوسته فلزی فوق گرم شده، می‌جوشد و منجر به انفجار شدیدی می‌شود که حتی با شیرهای ایمنی بخار نیز نمی‌تواند کنترل گردد.


بویلر سوپرهیت

بیش‌تر بویلرها بخار را برای استفاده در دمای اشباع تولید می‌کنند که به آن بخار اشباع می‌گویند. بویلرهای بخار سوپرهیت یا فوق اشباع (superheated steam boilers) آب را تبخیر می‌کنند و پس از آن بخار آب را در یک سوپرهیتر (superheater) بیش‌تر گرم می‌کنند. هر چند که بویلرهای سوپرهیت بخار را در دمای بسیار بالاتر فراهم می‌کنند، اما بازده حرارتی کلی پلانت تولید بخار کاهش می‌یابد، زیرا دمای بالاتر بخار باعث بالاتر رفتن دمای گاز خروجی دودکش می‌شود. راه‌های مختلفی برای رفع این مشکل وجود دارد که به طور معمول شامل قرار دادن یک اکونومایزر (economizer) برای گرم کردن آب ورودی، یک هیتر هوای احتراقی در سیر گاز داغ خروجی دودکش و یا هر دو می‌شود. مزایای بخار سوپرهیت اغلب شامل افزایش راندمان، چه برای تولید بخار و چه استفاده از آن می‌شود: سود افزایش دمای ورودی به توربین به هر هزینه‌ای برای افزایش پیچیدگی و قیمت بویلر غلبه می‌کند. همچنین ممکن است محدودیت‌های عملی در استفاده از بخار مرطوب وجود داشته باشد، زیرا قطرات کندانس وارد شده به توربین بخار (steam turbine)، به پره‌های توربین آسیب می‌رساند.

بویلر سوپرهیت نیروگاهی​

بخار سوپرهیت نگرانی‌های ایمنی منحصر به فردی ایجاد می‌کند، زیرا اگر یکی از اجزای سیستم دچار شکست شود و بخار فرار کند، فشار و دمای بالا می‌تواند آسیب جدی لحظه‌ای به کسی وارد کند که در مسیر آن قرار داشته باشد. از آن جا که بخار فرار کرده در ابتدا بخار کاملا سوپرهیت می‌باشد، تشخیص آن می‌تواند مشکل باشد؛ البته و صدای شدید می‌تواند حضور نشتی را به وضوح نشان دهد.

​

اجزای یک بویلر سوپرهیت​

 

[P O U R I A]

کارکرد سوپر هیتر (superheater) شبیه به کویل یک دستگاه تهویه مطبوع است که البته هر کدام دارای هدف‌های مختلفی هستند. پایپینگ بخار از میان مسیر گازهای داغ داخل کوره بویلر حرکت می‌کند. دمای این منطقه به طور معمول بین 1300 تا 1600 درجه سانتی‌گراد است. برخی سوپرهیترها از نوع تابشی هستند که حرارت را به وسیله تابش جذب می‌کنند؛ برخی دیگر از سوپرهیترها از نوع همرفتی هستند که حرارت را از یک سیال جذب می‌کنند و بقیه سوپرهیترها ترکیبی از این دو نوع هستند. به وسیله هر دو روش، در نهایت حرارت مسیر گاز دودکش به لوله‌های بخار سوپرهیتر و بخار منتقل می‌شود. در حالی که دمای بخار در سوپرهیتر افزایش می‌یابد، فشار بخار زیاد نمی‌شود و فشار برابر با فشار بویلر می‌ماند. تقریبا تمام طرح‌های سیستم سوپرهیتر، قطرات وارد شده به بخار را حذف می‌کند تا از وارد شدن آسیب به پره‌های توربین و پایپینگ مربوط به آن جلوگیری کند.

بویلر سوپرهیت​

 

[P O U R I A]

مولد بخار فوق بحرانی

اغلب مولدهای بخار فوق بحرانی (supercritical steam generators) برای تولید برق استفاده می‌شوند. این مولدهای بخار در فشار فوق بحرانی کار می‌کنند. بر خلاف یک بویلر زیر بحرانی (subcritical boiler)، مولد بخار فوق بحرانی در فشار بالای 22 مگاپاسکال کار می‌کند. در چنین شرایطی از توربولانس فیزیکی ناشی از جوشش جلوگیری می‌شود. در چنین فشارهایی، سیال نه مایع و نه گاز است، بلکه یک سیال فوق بحرانی می‌باشد. هیچ حباب بخاری در آب تولید نمی‌شود زیرا فشار آن بالاتر از نقطه فشار بحرانی است که در آن حباب‌های بخار می‌توانند تشکیل شوند. با انبساط سیال در مراحل توربین (turbine stages)، حالت ترمودینامیکی آن به زیر نقطه بحرانی می‌افتد و این باعث می‌شود که توربین تولید کار کند. مولد بخار فوق بحرانی باعث می‌شود که راندمان سیکل بخار اندکی افزایش یابد. در مولدهای بخار فوق بحرانی، عبارت بویلر نباید مورد استفاده قرار گیرد، زیرا در واقع هیچ جوششی (boiling) در آن‌ها رخ نمی‌دهد.

یک بویلر نیروگاهی​

دیگ آب گرم

دیگ‌های آب گرم یا بویلرهای هیدرونیکی (hydronic boilers) برای تولید حرارت در کاربردهای مسکونی و صنعتی استفاده می‌شوند. بویلرهای هیدرونیکی با گرمایش آب یا سیال دیگر به دمای مشخص (و گاهی در مورد سیستم‌های تک لوله‌ای تا زمان جوشش و تبدیل به بخار) و سیرکوله کردن مایع در سراسر خانه به وسیله رادیاتور (radiators) یا گرمایش از کف کار می‌کنند. سیال در یک سیستم بسته به وسیله یک پمپ سیرکوله می‌شود. برخی از سیستم‌های جدید با دیگ‌های چگالشی (condensing boilers) سازگار شده‌اند که راندمان بالاتری ایجاد می‌کند. این دیگ‌ها به عنوان دیگ چگالشی خوانده می‌شوند زیرا برای استخراج حرارت تبخیر بخار آب از گاز دودکش طراحی شده‌اند. در نتیجه دمای گاز دودکش پایین می‌آید و بخار آب گاز دودکش به مایع دارای دی‌اکسید کربن محلول تبدیل می‌شود. اسید کربنیک می‌تواند با ایجاد خوردگی در دودکش و سطوح انتقال حرارت، به یک دیگ معمولی آسیب برساند. دیگ‌های چگالشی به وسیله هدایت اسید کربنیک به یک مسیر و انتخاب متریال مناسب برای دودکش در معرض گازهای خورنده از فولاد ضد زنگ یا PVC، این مشکل را حل کرده‌اند.

دیگ آب گرم خانگی​