در این مقاله با دیگ بخار و انواع آن شامل دیگ های بخار فایر تیوب (Fire Tube) و واتر تیوب (Water Tube) ، دیگ های بخار عمودی و افقی، دیگ های بخار عقب خشک (Dry Back) و عقب تر (Wet Back)، دیگ های بخار دو پاس، کوره برگشتی، سه پاس و چهار پاس آشنا خواهید شد.

دیگ بخار چیست؟

در سیستم­های مختلفی که به بخار نیاز دارند، این بخار توسط دیگ بخار تهیه می­ گردد. در یک دیگ بخار با استفاده از احتراق سوخت توسط مشعل، آب تا نقطه­ ی جوش حرارت می­ بیند و بخار تهیه شده از طریق لوله­ ها به تجهیزات و محل ­های مصرف منتقل می­ گردد. در واقع دیگ بخار یک مخزن تحت فشار است که وظیفه­ ی آن تبدیل آب به بخار بوده و با توجه به اینکه حاوی آب و بخار در دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد می­ باشد، طراحی و عملکرد آن بر اساس قوانین و استانداردهای بین­ المللی تعریف می­ گردد. این استانداردها ممکن است بر اساس دستورالعمل­ های کشور سازنده، قوانین کشور استفاده کننده مانند بازدهی و مصرف انرژی، مدیریت هزینه­ ها و با گذشت زمان تغییر یابد. با توجه به این مطلب، مصرف کننده باید همیشه قوانین و استانداردهای بین ­المللی و محلی را مدنظر قرار دهد.

طبقه بندی دیگ های بخار

طبقه­‌بندی دیگ­‌ها به روش­‌های مختلفی مانند شکل ظاهری (افقی یا عمودی) ، شکل انتهایی دیگ (عقب تر و عقب خشک)،  فشار کاری دیگ (فشار پایین، فشار متوسط و فشار بالا)، دمای کاری دیگ (دما پایین، دما متوسط و دما بالا) ، نوع سوخت مشعل( گاز، گازوئیل، مازوت و چندگانه سوز) ، مسیر شعله ( ۲ پاس و ۳ پاس) و بر اساس نوع سیال در لوله (واترتیوب و فایرتیوب)  انجام می‌­شود.

دیگ­‌های بخار افقی و عمودی

فضای موتورخانه و ابعاد آن و همچنین میزان بخار مورد نیاز تعیین کننده­‌ی انتخاب نوع افقی یا عمودی دیگ می­‌باشد. برای کاربردهایی که به میزان کمی بخار نیاز دارند و همچنین فضای موتورخانه نیز باریک و کوچک می‌­باشد، دیگ­‌های بخار عمودی انتخاب مناسبی هستند. برای مصارفی که به مقادیر بالای بخار نیاز است از دیگ­‌های افقی استفاده می­‌گردد. معمولا دیگ­‌های بخار عمودی تا ظرفیت ۵۰۰ کیلوگرم در ساعت و دیگ­‌های بخار افقی از ظرفیت ۵۰۰ کیلوگرم در ساعت تا ظرفیت­‌های چندین تن در ساعت استفاده می­‌شوند.

دیگ بخار عمودی

دیگ بخار افقی

دیگ­‌بخار فایرتیوب

در این نوع از دیگ­‌ها مواد حاصل از احتراق از داخل مجموعه ­ای از تیوب­ ها عبور نموده و آب روی پوسته­ ی بیرونی لوله­ ها جریان داشته و حرارت را دریافت می­ نماید. انرژی حرارتی منتقل شده به آب باعث بخار شدن آب می­ گردد. این دیگ­ ها در مقایسه دیگ­ های واترتیوب ارزان قیمت­تر بوده و غالبا برای کاربردهای صنعتی کوچک و فشارهای کاری پایین ­تر استفاده می­ شوند. بازدهی این نوع از این دیگ ­ها بر اساس آرایش و ابعاد تیوب­ ها و تعداد پاس ­ها تعیین می­ گردد. مسلم است که هرچقدر سطح انتقال حرارت بیشتر باشد بازدهی دیگ نیز افزایش می­ یابد، اگرچه که هزینه­ ها و پیچیدگی دیگ نیز افزایش می ­یابد. در دیگ­ های فایرتیوب بدلیل حجم آبگیری بالای دیگ، زمان راه‌اندازی دیگ بالا می­ باشد.

فشار کاری دیگ­ های فایرتیوب معمولا بین ۶ تا ۱۸ بار نسبی می­ باشد اگرچه که توسط برخی از تولیدکننده ­ها تا ۳۲ بار نسبی نیز تولید می­ شوند. فشار کاری این نوع از دیگ­ ها دارای محدودیت بوده و نمی­ تواند از میزان استاندارد فراتر رود، زیرا بر اساس روابط مخازن جدار نازک حداکثر تنش در محیط استوانه رخ می­دهد و با توجه به قطر بالای دیگ فایرتیوب و در معرض فشار بودن پوسته، میزان تنش محدودیت خواهد داشت.

رابطه­ ی حاکم بر مخازن جدار نازک بصورت σ=pr/t می ­باشد. که در این رابطه p فشار دیگ، r شعاع استوانه و t ضخامت ورق دیگ می ­باشد. در صورتی که ضخامت ورق افزایش داده شود فشار قابل تحمل دیگ افزایش می ­یابد ولی هزینه و شکل­ دهی ورق ضخیم­تر دشوار می­‌باشد.

دیگ بخار فایر تیوب یا لوله آتشین

دیگ بخار عقب خشک و عقب تر

در دیگ­ های عقب خشک دود در انتهای تمامی پاس­ ها به یک سطح در انتهای دیگ ( صفحه لوله یا تیوب شیت) برخورد نموده و برگشت داده می­ شود.  به دلیل اینکه اختلاف دمای بین پاس ­های دو و سه بالا می­ باشد، سطح تیوب شیت دچار تنش حرارتی زیاده شده و به مرور زمان باعث بروز ترک و نهایتا نشتی در بدنه دیگ می­ گردد. این دیگ­ها همچنین نیاز به عایقکاری توسط مواد نسوز در انتها دارند که خود مستلزم هزینه بوده و به مرور زمان نیز نیاز به تعویض و ترمیم خواهد داشت.

جهت رفع مشکلات فوق دیگ­ های عقب تر طراحی شده است. در این طراحی علاوه بر اینکه انتهای دیگ در ارتباط با مواد حاصل از احتراق نمی­باشد، سطح انتقال حرارت افزایش یافته و در نتیجه بازدهی دیگ افزایش می­ یابد. در شکل زیر هر دو نوع مختلف دیگ نشان داده شده است.

دیگ بخار عقب خشک (DryBack)

دیگ بخار عقب تر (WetBack)

انواع دیگ بخار از نظر تعداد گذر دود

از آنجایی که انتقال حرارت در دیگ توسط اشتعال سوخت انجام می­ شود، تبادل حرارت بیشتر بین محصولات احتراق و دیگ، باعث افزایش بازدهی می­ شود. بدین ترتیب با افزایش تعداد گذر دود، انتقال حرارت بیشتزی انجام می ­شود.

دیگ­ های بخار دوپاس

همانطور که در تصویر زیر نیز مشاهده می­ شود در این نوع دیگ، دود طی دو مرحله از دودکش خارج م ی­شود. بدبن صورت که ابتدا یک پاس از داخل کوره عبور کرده و در پاس دوم از داخل تیوب­ها عبور می نماید. این نوع از دیگ­ ها نسبت به سایر انواع دیگ­های فایرتیوب راندمان پایین­تری دارند و معمولا در دیگ­های عقب خشک استفاده می­ شوند. به دلیل راندمان پایین تولید این نوع از دیگ ها تقریبا منسوخ شده است.

دیگ ­های بخار کوره برگشتی

در این نوع از دیگ­ ها پس از احتراق مشعل، محصولات احتراق وارد کوره شده و پس از رسیدن به انتها، از طرفین برگشت داده می­ شوند و سپس وارد پاس لوله­ ها شده و نهایتا از دودکش خارج می­ گردند. بازدهی این نوع از دیگ­ ها از دیگ­های دوپاس بیشتر و از دیگ­های سه ­پاس کمتر می­ باشد. لازم به ذکر است که استفاده از این نوع دیگ­ ها برای تولید بخار مرسوم نبوده و بیشتر برای تولید آبگرم و در ظرفیت­ های نه چندان بالا مورد استفاده قرار می­ گیرند.

 

دیگ­ های بخار سه­ پاس

یکی از رایج ­ترین دیگ­ هایی که امروزه مورد استفاده قرار می­ گیرد، دیگ سه­ پاس عقب تر می­ باشد.با توجه به اینکه در این نوع دیگ، محصولات احتراق سه مسیر گذر را طی می­ کنند میزان انتقال حرارت بالا بوده و بازدهی این نوع از دیگ­ها بالا می­ باشد.

دیگ­ های بخار چهار پاس

این نوع از دیگ­ ها به دلیل میزان سطح تبادل حرارت بالا، بیشترین بازده­ی حرارتی را دارا هستند. اما به دلیل هزینه­ های ساخت بالا و پیچیدگی­ های آن مقرون بصرفه نمی­ باشند. همچنین به دلیل تعداد مسیر بالای دود، دمای گازهای خروجی به زیر نقطه ­ی شبنم رسیده و باعث خوردگی دودکش و حتی خود دیگ می­ گردد. همچنین این دیگ ­ها در معرض تنش­ های حرارتی بالایی هستند بویژه در مواردی که نوسانات ناگهانی رخ دهد، این امر منجر به آسیب رساندن به بدنه ­ی دیگ و ایجاد ترک می گردد. به دلیل موارد ذکر شد می­ توان گفت دیگ­های چهار پاس بلااستفاده بوده و تولید ها متداول نمی باشد.

مزایای دیگ های بخار فایرتیوب

۱- ساختار ساده و جمع و جور

۲- در مقابل نوسانات مصرف بخار کارآیی مناسبی دارند.

۳- از دیگ های واترتیوب ارزان­تر هستند.

معایب دیگ های بخار فایرتیوب

۱- به دلیل حجم بالای آب مدت زمان راه اندازی بالاست.

۲- فشار بخار خروجی نمی ­تواند خیلی زیاد باشد زیرا آب و بخار در مخزن یکسانی قرار داشته و دارای درام جداگانه نیستند.

۳- بخار خروجی دیگ فایرتیوب بخار تماما خشک نمی ­باشد.

دیگ­ های بخار واترتیوب

نحوه عملکرد دیگ­ های واترتیوب عکس دیگ­های فایرتیوب است. به این صورت که آب در داخل لوله­ ها (تیوب­ ها) در گردش بوده و لوله­ ها توسط گازهای داغ احاطه شده اند و بدین ترتیب حرارت به آب منتقل شده و بخار می­ شود. به دلیل قطر کوچک لوله­ ها یک دیگ واترتیوب توانایی تحمل فشار بالاتری را نسبت به دیگ فایرتیوب دارد. بنابراین در کاربردهای فشار بالا مانند نیروگاه های بخار، مصارف بالای بخار و بخار سوپرهیت مناسب هستند. از معایب این دیگ­ ها می ­توان به گران قیمت بودن آنها اشاره نمود.

اصول کار دیگ­های واترتیوب بسیار ساده و جذاب می ­باشد. با در نظر گرفتن یک دیاگرام ساده و اولیه از یک دیگ واترتیوب نشان داده شده در شکل زیر، به توضیح این دیگ می ­پردازیم:

بطور کلی این دیگ از دو درام در بالا و پایین تشکیل شده است. آب در درام پایین گرما گرفته و بخار تولید شده بوسیله­ ی جابجایی طبیعی به سمت درام بالایی حرکت می­ کند. در درام بالایی بخار از آب جدا شده و روی سطح آب قرار می­ گیرد. آب سرد تزریقی به دارم بالایی بدلیل چگالی بالاتر در قسمت زیرین قرار گرفته و آب گرم­تر را در رایزر به صورت طبیعی به سمت بالا هدایت می­ کند. رفته رفته بخار بیشتری تولید شده و فشار در این سیستم بسته افزایش یافته و اختلاف بین چگالی آب و بخار اشباع کاهش می­ یابد تا جایی که این جریان طبیعی متوقف شود. در صورتی که بخار از دیگ خارج گردد، فشار درون سیستم افت کرده و جریان طبیعی آب تسریع می­ یابد. به منظورحفظ دبی خروجی بخار در دیگ­ های با فشار بالاتر، باید فاصله ­ی درام پایین و درام بخار افزایش یابد و یا سیرکولاسیون اجباری به کار گرفته شود.

انتقال حرارت در دیگ بخار واترتیوب

انتقال حرارت تشعشعی

انتقال حرارت در دیگ می­ تواند به صورت هدایت، جابجایی و تششع انجام شود. تماس مستقیم شعله با تیوب ­ها باعث ایجاد آسیب و خرابی در تیوب­ها می­ گردد. با عبور شعله از میان کوره، انتقال حرارت تشعشعی جذب می­ گردد که در شکل زیر نشان داده شده است.

انتقال حرارت جابجایی

این قسمت به منظور جذب حرارت به روش جابجایی و هدایت از گازهای داغ طراحی شده است که در شکل زیر قابل مشاهده می­ باشد.

مزایای دیگ های بخار واترتیوب

۱- با افزایش تعداد تیوب­ ها، دستیابی به سطوح حرارتی بالا امکان­پذیر می­ باشد.

۲- با توجه به جریان طبیعی، حرکت آب سریع­تر بوده و در نتیجه نرخ انتقال حرارت افزایش یافته و و نهایتا بازدهی دیگ بالاتر خواهد بود.

۳- به دلیل قطر پایین تیوب­ ها، دستیابی به فشارهای کاری بسیار بالا امکان­پذیر خواهد بود.

۴- به دلیل اینکه حجم آبگیری پایینی دارند، زمان راه­ اندازی آن­ها نسبت به دیگ­ های فایرتیوب کمتر می­ باشد.

انواع دیگ­ های بخار واترتیوب

دیگ ­های واترتیوب بر اساس مشخصات مختلفی دسته بندی می­ شوند. از معمول­ترین این دسته بندی­ ها عبارتند از: موقعیت درام ذخیره ( مثلا درام طولی یا متقاطع) ، گردش آب (مثلا طبیعی یا اجباری) ، تعداد درام ( مثلا دو یا سه) و ظرفیت دیگ.

دیگ بخار واترتیوب با درام طولی

همانند آنچه در شکل زیر مشاهده می­ شود نوع اصلی درام دیگ واترتیوب، به صورت شیب­ دار می ­باشد که همانطور قبلا گفته شد، بر اساس قانون ترموسیفون عمل می­ نماید. آب تغذیه به درام طولی قرار گرفته در بالا وارد شده و به سمت پایین سرازیر می ­شود. با حرارت دیدن آب دمای آن افزایش یافته و چگالی آن کاهش می­ یابد. این اختلاف چگالی باعث جریان طبیعی به سمت بالا شده و جریان مجددا به درام بالایی وارد شده و ذرات بخار به سطح آب رفته و بدین صورت بخار تولید می­ شود. ظرفیت این بویلرها معمولا از ۲/۲ تا ۳۶ تن در ساعت می­ باشد.

 

دیگ بخار واتر تیوب با درام متقاطع

تفاوت دیگ با درام متقاطع با دیگ با درام طولی در این است که درام به صورت مقاطع در مسیر جریان حرارت قرار گرفته است. این امر سبب ایجاد توزیع دمای یکنواخت­ تر می­ شود. ولی لازم به ذکر است که در بارهای بالا در صورت خشک بودن تیوب­ های بالایی، احتمال بیش از حد گرم شدن و شکست لوله وجود دارد. همچنین یکی از مزایای این نوع دیگ، این است که به دلیل موقعیت متقاطع تیوب­ ها، امکان جانمایی تعداد بیشتری لوله شیب دار وجود دارد.

دیگ بخار واتر تیوب با درام خمیده (دیگ استرلینگ)

یکی از انواع توسع یافته ­ی دیگ­ های بخار واترتیوب دیگ با درام خمیده یا استرلینگ می ­باشد. این نوع از دیگ نیز بر اساس دما و اختلاف چگالی عمل می­ نماید با این تفاوت که از چهار عدد درام استفاده می­ نماید. آب سرد تغذیه وارد درام بالایی سمت چپ شده و بواسطه ­ی چگالی بالاتر به دارم پایین سرازیر شده و با جذب حرارت توسط درام و لوله­ ها، گرم شده و به سمت دو درام بالایی حرکت کرده و حباب­ های بخار تشکیل شده به سطح آب می­ روند. این نوع از دیگ­ ها دارای سطح انتقال حرارت بالایی هستند و آب به طور طبیعی سیرکوله می­ شود.