دیگ بخار

دیگ بخار (بویلر) یک مخزن بسته است که در آن مایعات (معمولا آب) به دمای بسیار بالا می‌رسند. در طراحی سیستم‌های حرارتی از این مایع گرم یا بخار شده در فرآیندهای مختلف استفاده می‌شود. مثلا گرمایش محیط، تولید برق و...

در این مقاله ابتدا می‌بینیم که دیگ بخار چیست و چه ویژگی هایی دارد، سپس انواع دیگ بخار و مشخصات فنی و کاربردهای آنها را بررسی می نماییم.

دیگ بخار پرفشار به دیگی اطلاق می شود که بخار آب را در فشاری بالاتر از ۱۵psig تولید نماید. در پایین تر از فشار مذکور دیگ در گروه دیگ بخار کم فشار قرار می گیرد. دیگ های کوچک پرفشار در گروه دیگ های کوچک قرار می گیرند. مطابق بخش یک آیین نامه دیگ و مخازن تحت فشار مربوط به انجمن آمریکایی مهندسین مکانیک یا به طور اختصار ASME دیگ پرفشار کوچک به دیگ پرفشاری اطلاق می شود، که از محدوده های زیر تجاوز ننماید:

• قطر داخلی پوسته ۱۶ in
• حجم کلی بدون روکش و عایق کاری Ft 35
• فشار ۱۰۰ psig.

چنانچه دیگ از هریک از محدوه های مذکور تجاوز نماید، به آن دیگ نیرو می گویند. مقرارت مربوط به جوشکاری در اینگونه دیگ های کوچک به سختی دیگ های بزرگ نیست...

دیگ نیرو یک دیگ بخار آب یا بخار می باشد که در بالاتر از فشار ۱۵ psig کارکرده و ابعادش از ابعاد دیگ کوچک تجاوز نماید. این تعریف شامل دیگ های آب گرم گرمایشی یا آب گرم مصرفی که در فشار بالاتر از ۱۶۰psig و دمای ۲۵۰۰ F کار کند، اطلاق می شود...

دیگ آب گرم گرمایشی عبارتست از دیگی که در آن هیچ گونه بخار آبی تولید نمی شود، لیکن آب گرم آن به منظور گرمایش در یک مدار به گردش درآمده و مجددا به دیگ باز می گردد. فشار آب در اینگونه دیگ ها را در نقطه خروجی آن نباید از ۱۶۰ psig و دمای آن از ۲۵۰۰ F تجاوز نماید. اینگونه دیگ ها را دیگ گرمایشی کم فشار می نامند، که مطابق بخش ۵ آیین نامه دیگ های گرمایشی از آیین نامه ASME ساخته می شوند. چنانچه فشار یا دما، از این حدود تجاوز نماید، دیگ باید به مانند دیگ های پرفشار و طبق آیین نامه ASME طرح شود.

دیگ آب گرم مصرفی به دیگی گفته می شود که به طور کامل پر از آب بوده، و برای استفاده خارجی، آب گرم تولید می نماید. (آب گرم دیگر به دیگ باز نمی گردد) فشار آن از ۱۶۰ psig و دمای آن از ۲۵۰۰ F تجاوز نمی کند. این نوع دیگ ها را نیز در زمره دیگ کم فشار قرار می دهند و آنها را مطابق بخش چهار (دیگ های گرمایشی) آیین نامه ASME می سازند. چنانچه فشار یا دما از این حد تجاوز نماید این دیگ ها باید مطابق دیگ های پرفشار طراحی شوند.

دیگ استفاده کننده ضایعات حرارتی از ضایعات حرارتی که محصول فرعی پاره ای از فرآیند های صنعتی است، از قبیل گازهای داغ ناشی از کوره بلند کارخانه ذوب آهن یا محصولات ناشی از احتراق خروجی از یک توربین گازی، یا محصولات فرعی یک فرآیند صنعتی، استفاده می کند. ضایعات حرارتی از روی سطوح تبادل کننده گرما عبور نموده و آب گرم یا بخار آب تولید می شود.

برای ساخت این نوع دیگ ها، همان مقررات ساخت آیین نامه ASME استفاده شده برای دیگ های آتش شده به کار برده می شوند. قطعات کمکی و ایمنی مربوط به این دیگ ها به طور معمول مطابق آیین قطعات در دیگ های دیگر می باشند.

دیگ یک پارچه به دیگی اطلاق می شود که به طور کامل در کارخانه ساخته و سوار شده باشد. این دیگ دارای انواع لوله آبی و لوله دودی یا چدنی بوده و دستگاه های احتراق، تجهیزات کنترل و ایمنی را نیز به همراه خود دارد. دیگی که در کارخانه ساخته شده و سوار می شود نسبت به دیگ مشابه ای که دارای همان ظرفیت بخاردهی بوده و در خارج از کارخانه و در محل بهره برداری، نصب و سوار می شود، ارزانتر است. گرچه دیگ ساخته و سوار شده در کارخانه به طور معمول حاضر و آماده تحویل نمی باشد، ولی نسبت به دیگی که در محل بهره برداری ساخته و سوار می شود دارای زمان ساخت و تحویل کمتری است. زمان نصب و راه اندازی آن نیز نسبتا کمتر است. در کل می توان گفت که کار در کارگاه به طور معمول بهتر و قابل رسیدگی بوده و هزینه کمتری دارد.

دیگ فوق بحرانی به دیگی اطلاق می شود که در فشاری بالاتر از فشار بحرانی یعنی ۳۲۰۶٫۲psig و دمای اشباع ۷۰۵٫۴۰F کار کند. بخار آب و خود آب دارای فشار بحرانی ۳۲۰۶٫۲psig می باشند. در این فشار، بخار آب، دارای جرم ویژه یکسانی هستند و به معنای این است که بخار، تا حد آب فشرده شده است. هنگامی که این مخلوط در بالاتر از دمای اشباع ۷۰۵٫۴۰F دما ببیند، بخار خشک فوق داغ تولید شده که برای کار در فشارهای بالا مناسب است. این بخار خشک به ویژه برای به حرکت درآوردن مولدهای توربینی مناسب است.

دیگ فوق بحرانی به دو نوع یکسره و باز چرخشی تقسیم می شوند. هر دو نوع در محدوده فوق بحرانی یهنی بالاتر از ۳۲۰۶٫۲psig و ۷۰۵٫۴F کار می کنند. در این محدوده خواص مایع و بخار اشباع یکسان است. هیچگونه تغییری در فاز مایع-بخار صورت نمی گیرد و از این رو چیزی بنام سطح آب وجود نداشته و به استوانه بخار (Steam Drum) احتیاجی نیست.

دیگ ها را همچنین می توان طبق طبیعت مواد استفاده آنها گروه بندی کرد. گروه بندی رایج عبارت است از: دیگ ساکن، قابل حمل، لکوموتیوی (ساخت این گونه دیگ ها امروزه متداول نیست) و دریایی که به صورت زیر تعریف می شوند:

دیگ ساکن به دیگی اطلاق می شود که بطور همیشگی بر روی زمین نصب شده است.

دیگ قابل حمل به دیگی اصلاق می شود که بر روی کامیون، کشتی کوچک رودخانه ای و یا هر نوع وسیله نقلیه نصب می شود.

دیگ لکوموتیوی دیگی است که بریا کشیدن وسیله نقلیه بروی ریل راه آهن طرح می شود.

دیگ دریایی به دیگی گفته می شود که به طور معمول ارتفاع آن کم بوده و برای کشتی های مسافربری و باری اقیانوس پیما طرح می شوند. سرعت بخار دهی این نوع دیگ ها زیاد است.

نوع ساختمان دیگ ها را نیز می توان به ترتیب زیر گروه بندی کرد:

دیگ چدنی

واحدهای گرمایش کم فشاری هستند که قطعات فشاری آن توسط ریختگری از چدن، برنز، یا برنج ساخته می شوند. این دیگ ها را بیشتر بر اساس شیوه ای که محفظه های ریختگری شده آن برهم سوار می شود گروه بندی می کنند. این محفظه ها توسط پستانک های فشاری، سوله های خارجی و پستانک پیچی به همدیگر محکم می شوند.

سه نمونه از دیگ های چدنی عبارتند از:

1. دیگ های پره ای عمودی که پره ها بطور عمودی بر روی یکدیگر قرار گرفته و توسط پستانک های فشاری یا پیچی به یکدیگر متصل می شوند.
2. دیگ های پره ای افقی که پره ها بطور افقی پهلوی هم قرار می گیرند. در این وضعیت طرز قرارگرفتن پره ها نسبت به هم مانند پشت سر هم قرار گرفتن برش هایی از یک قالب نان مکعب مستطیلی است.
3. دیگ های چدنی کوچک که با ریخته گری بصورت یکپارچه ساخته می شوند. این دیگ ها در گذشته جهت تهیه آب گرم به کار می رفتند.

دیگ های فولادی می توانند از نوع پرفشار یا کم فشار باشند و امروزه بطور معمول از ساختمان جوشی برخوردار هستند. این دیگ ها به گروه های زیر تقسیم می شوند:

1. دیگ لوله دودی که در آنها محصولات احتراق از داخل لوله ها عبور می کنند در حالیکه آب پیرامون لوله ها را دربر می گیرد.
2. دیگ لوله آبی که در آنها آبل از داخل لوله ها و محثولات احتراق از اطراف آنها عبور خواهد کرد.

دیگ های لوله دودی بطور معمول تا ظرفیت ۷۰۰۰۰lb/hr و تا فشار ۳۰۰psig ساخته می شوند. در شرایط بالاتر از این حدود، دیگ های لوله آبی مورد استفاده قرار می گیرند. دیگ های لوله دودی به دیگ های پوسته ای نیز معروفند. در اینجا، آب و بخار آب درون پوسته محبوس می باشند.

این نوع دیگ حجم بخاری را که دیگ می تواند تولید نماید محدود می کند. در رابطه با فشار پوسته های بزرگ، ضخامت بسیار زیادی را احتیاج خواهد داشت و این موضوع ساخت آنها را گران می نماید.

دیگ های لوله آتشی (Fire Tubes)

در این بویلرها گازهای احتراق داخل لوله ها در جریان بوده و آب پشت لوله ها ، که در اثر انتقال حرارت آب به بخار تبدیل و از سیستم خارج می شود.

که قطر لوله ها بین 2/1 تا 4 اینچ می باشد.

تیپ های مختلف این نوع بویلرها بسته به جریان گاز داخل لوله دوپاس، 3 پاس و چهار پاس می باشد که در شکل آمده است .

ولی در حالت کلی بویلرهای Fire tube به صورت شکل زیر می باشد.

دیگ های لوله آبی (Water Tubes)

 این بویلرها همانند بویلرهای Fire tube می باشند با این تفاوت که آب داخل لوله ها در جریان بوده و گازهای داغ در بیرون و در اثر انتقال حرارت آب به بخار تبدیل شده و از آنت خارج می شود 

قطر لوله های آب in 5 تا in 6 می باشد. وقتی که مقدار بخار تولیدی بیش از 10ton/hr با فشار بخار تولیدی بالاتر از 20 bar مورد استفاده باشد حتما از این نوع بویلرها باید استفاده نمود.

استفاده اقتصادی از دیگ های بخار (بویلرها) و راه های افزایش راندمان

در این قسمت روش هایی را که می توان توسط آن در سوخت و در نتیجه هزینه بهره برداری دیگ های بخار صرفه جویی نمود و راندمان دیگ را افزایش داد ارائه می گردد. در این راستا تلفات حرارتی مختلف معرفی شده و میزان آنها مشخص می گردد.

بازده یک دیگ بخار معمولی حدود 75% می باشد. البته دیگ های بخار با طراحی جدید دارای بازده بین 90-80% نیز می باشند.

معمولا ماکزیمم فشار کار این نوع بویلرها 25 بار بوده و دارای ظرفیتی بین 5/0 تا 10 تن در ساعت می باشند.

دیگ های بخارصنعتی

این بویلر بعنوان بویلرهای صنعتی شناخته می شوند و دارای راندمان بالا و کیفیت بسیار مطلوب و سرعت پاسخ مناسب می باشند.

این نوع بویلرها خود اتکاء (Botton Support)، دارای دو درام جداگانه ازنوع چرخش طبیعی می باشند و قابلیت تولید بخار با ظرفیت حداکثر ۴۵۰ تن در ساعت می باشند.

مشعل های این نوع بویلر در دیواره جلو بوده و به لحاظ آرایش سطوح حرارتی به گونه‌ای است که جریان دود بر روی سطوح بطور یکنواخت توزیع گردیده است.

کیفیت بالای حاصله از استانداردهای مطلوب و ساختارها و کارآیی بالای آنها باعث استقبال مشتریان از این نوع بویلر می باشند.

ظرفیت و شرایط طراحی

تناژ بخار تولیدی: حداکثر ۴۵۰ تن در ساعت

حداکثر فشار کاری: kg/cm2g127

حداکثر دمای بخار: C 515

سیستم تامین هوای احتراق: فن دمنده اجباری (Force Draft Fan)

سوخت: گازی، مایع (تک و یا دو سوخته)

دیگ های بخار یک پارچه

از جمله مزایا و مشخصات دیگ های صنعتی عبارت است از:

• بالا بودن سرعت پاسخ زمانی این بویلر به تغییرات بار
• بالا بودن قابلیت اطمینان

این دیگ ها را می توان بطور یک پارچه در کارخانه تولید و پس از آن به سایت حمل نمود.

شایان ذکر است در مواردی که محدودیتهای حمل بار جاده ای وجودداشته باشد می توان این نوع دیگهای بخار را در قطعه بندی های کوچکتر حمل نموده و عملیات نصب و برپایی را در سایت بانجام رساند. بخار تولیدی توسط این مدل دیگ می تواند فوق داغ ویا اشباع باشد و به نظر و درخواست مشتری بستگی دارد. این نوع دیگ بخار خود اتکاء (Botton Support)، دارای دو درام مجزای آب و بخار و سیستم گردشی طبیعی آب و بخار می باشد. همچنین با توجه به آزمایشات و تجربیات فراوانی که در طراحی و ساخت این نوع دیگ وجوددارد امکان طراحی و ساخت پیشرفته آنها فراهم آمده است.

ظرفیت و شرایط طراحی

تناژ بخار تولیدی: تا ۲۵۰ تن در ساعت

حداکثر فشار بخار: kg/cm2g120

حداکثر دمای بخار: C480

سیستم تامین هوای احتراق: فن دمنده اجباری (Force Draft Fan)

سوخت: مایع گازی (تک یا دو سوخته)

دیگ های بخار صنعتی – نیروگاهی (sn)

این بویلر هم مصرف صنعتی و هم نیروگاهی دارد و دارای راندمان بالا و حداقل افت حرارتی می باشد. با فشار و درجه حرارت بالا کارکرده و در ظرفیت های متوسط در صنایع بکارگرفته می شود و این نوع بویلر فقط از بالا به سازه فلزی خود متصل است (Top Support) و دارای یک درام بدون ری هیتر بوده و از نوع تشعشی و دارای سیستم چرخش آب طبیعی است.

ظرفیت و شرایط طراحی

• تناژ بخار تولیدی: حداکثر T/H 680
• حداکثر فشار بخار: kg/cm2g150
• حداکثر دمای بخار: C549
• سیستم تامین هوای احتراق: فن دمنده اجباری (Force Draft Fan)
• سوخت: گاز، مایع (تک و یا دو سوخته)