بویلرها (دیگهای بخار)
ساعت ۱۱:٥٥ ‎ق.ظ روز چهارشنبه ٢٠ بهمن ۱۳۸٩ : توسط : مهر یار موسی نژاد

مقدمه :   

سوخت های هیدروکربنی عمده ترین بخش انرژی سیستم های صنعتی را تشکیل می دهد . با افزایش هزینه اینگونه سوخت ها توجه روز افزونی به کاهش مصرف انرژی معطوف شده  و در طراحی دستگاههای مصرف کننده انرژِی اصلاحاتی صورت گرفته است . در صنایع  شیمیایی و پالایش نفت حدود 75 درصد انرژی بصورت سوخت هیدرو کربنی در کوره ها و بویلر ها به مصرف می رسد . کاهش انرژی صرف وقت و نیروی فکری قوی جهت بررسی معیارهای طراحی  و روش های ساخت کوره ها می باشد .

در این پروژه سعی شده است تا در مورد نقش حیاتی تولید بخار در کار خانه ها و خصوصیات بخار و اصول تبدیل آب به بخار توضیحاتی گنجانده شود .بخار آب دارای مشخصه های ویژه ای است که با توجه به آنها استفاده  از بخار را مقرون به صرفه می کند .

1- بخار آب قادر است که مقادیر زیادی انرژی حرارتی را با خود حمل نماید و آنرا به تمام نقاط کارخانه ها برساند .

2- مقدار کمی از آب به حجم خیلی زیاد از بخار تبدیل می شود ( یک حجم آب به 1600 برابر بخار تبدیل می شود )

3- بخار آب در اثر تغییر  درجه حرارت و تغییر فشار ، حجمش  تغییر می کند .

 بخار آب با درجه حرارت و  فشار بالا جهت راه اندازی  توریبن های بخار بکار می رود و یکی دیگر از خصوصیات بخار آب ، این است که می شود به آن حرارت زیادی منتقل کرد و به بخار سوپر  هیت تبدیل نمود .این بخار در صنعت مزایای زیادی بخصوص در راه اندازی توربین ها دارد . در هر صورت تحت چنین خصوصیات با ارزشی ، کاربرد های مفیدی در صنعت چون مشتعل نمی شود و به اشتعال هم کمک نمی کند .

 

 

تولید بخار در دیگهای بخار

  مقدمه Interoduction    :

استفاده و کاربرد دیگهای بخار در تولید انرژی الکتریکی در نیروگاهها و فرآیند شیمیایی و پالایشی و پتروشیمی در مجتمع های مربوط و نیز در تاسیسات گرمایشی به حدی فرآوان است که امروزه طراحی و ساخت آنها جایگاه خاصی در صنعت سنگین پیدا کرده است و این بخش از صنعت و تکنولوژی آن تا یک دهه گذشته بطور کامل در اختیار کشورهای پیشرفته صنعتی و محدود کشورهای در حال توسعه بوده و اکنون کشورهای دیگر از جمله ایران توانسته اند به تکنولوژِی طراحی و مهندسی و عملیات ساخت دیگهای بخار سنگین و نیمه سنگین دست یابند و تلاش برای دستیابی به تکنولوژی طراحی و مهندسی و ساخت دیگهای بخار فوق سنگین که از نوع

 ( (once through  یا(super critical pressure) میباشند نیزباید مورد توجه قرار گیرد .

آنچه که سبب گسترش این صنعت می گردد ، توسعه صنعتی کشورها و نیز تعدد و تنوع محصولات جدید در بخشهای پتروشیمی ، پالایشی ، شیمیایی و سلولزی است و نیز افزایش روز افزون نیاز به  انرژیِ الکتریکی با توسعه نیروگاههای جدید حرارتی و استفاده از بویلر می باشند . تولید بخار در  دیگهای بخار در شرایط خشک و داغ (super  Heated steam)  عمدتا برای چرخش توربین های بخاری و تولید انرژی مکانیکی است و تولید بخار بصورت اشباع   ( saturated ) عمدتا برای استفاده در پروسس می باشد .

 دیگهای بخار و اتر تیوپ و فایر تیوپ The  water tube and fire tube boilers

گردش جریان آب برای تبخیر (evaporation)در دیگهای بخار و اتر تیوپ از درون لوله ها متعدد در بدنه بویلر بوده که به موازات هم و به تعداد زیاد در بویلر بطور عمود بکار رفته اند . در این حال انتقال حرارت حاصل از احتراق متصاعده توسط مشعلهای بویلر از بیرون لوله ها جریان می یابد وبخار تولید شده در حالت اشباع در استیم درام تخلیه می گردد و گازهای احتراقی پس از انتقال حرارت به بویلر با دمای نزدیک به ( 180 درجه ، سانتی گراد ) از بویلر  خارج و بطرف دودکش می روند .

این نوع بویلر ها بطور عمده در نیروگاهها ی حرارتی و در مجتمع های شیمیایی ، پالایشی و سلولزی کاربرد دارند .در بویلر های فایر تیوپ جریان گازهای احتراقی متصاعده توسط مشعل از درون لوله ها انتقال می یابد و آب در پشت لوله ها قرار دارد و بخار متصاعده از ناحیه بالای بویلر در حالت اشباع   saturated)  (به بیرون انتقال می یابد .

دیگهای بخار فایر  تیوپ یا لوله آتشی برای تولید آب داغ مورد استفاده در سیستمهای گرمایشی نیز کاربرد  فراوان دارند و بصورت دو پاس و سه پاس و در دو نوع (dry back )  و (wetback )  طراحی و ساخته می شوند  کمترین ظرفیت که از این  بویلر ها بصورت دو یا سه ساخته می شود نزدیک به  ( 10000 kcal / hr )  بوده و بیشترین ظرفیتی که تا کنون از نوع فایر تیوپ طراحی  و ساخته شده است برای تولید بخار  ( 25 ton / hr )  می باشند دیگهای تولید آب داغ با شرایط فشار(5 barg )  حداقل طراحی می شوند و دیگهای بخار فایر تیوپ برای تولید بخار اشباع شده تا حداکثرفشار 220 kg /cm   طراحی و ساخته شده اند .

بیشترین ظرفیت تولید بخار در بویلرهای فایر تیوپ می تواند کمترین ظرفیت تولید بخار در بویلر های  واتر تیوپ فرض گردد و حداکثر فشار طراحی بویلرهای فایر تیوپ و نیز کمترین فشار طراحی بویلر های واتر تیوپ می باشد . و این در حالیست که دیگهای بخار واتر تیوپ یا لوله آبی تا ظرفیت تولید بخار بیش از ( 2350 ton / hr )  برای تولید انرژیِ الکتریکی نزدیک به   (700mwatt)  طراحی و ساخته  شده اند و از نظر فشار طراحی بیش از) kg / cm 2 200(و در شرایط ( super  cirtical pressure )  طراحی می گردد  .

 درجه حرارت بخار خروجی از بویلر های فایر تیوپ در حد اشباع بوده و درجه حرارت خروجی از بویلر های واتر تیوپ با توجه به شرایط فشار بالاتر و نیز امکان سوپر هیت نمودن آن به 540 c  می رسد .بویلر های  واتر تیوپ در شرایط ( continuse )  برای تولید انرژِی مداوم در نیروگاهها و با استفاده مداوم از بخار آن در پروسسهای شیمیایی ، سلولزی ، پالایشی و پتروشیمی بکار  می روند و بویلر های فایر تیوپ در شرایط (noncontinuse )  یا غیر مداوم بسهولت کاربرد دارند که از آن جمله تاسیسات گرمایشی و استفاده از آبگرم بصورت نامنظم می باشند .

راندمان حرارتی دیگهای بخار واتر تیوپ نزدیک به 95 % می باشد و راندمان حرارتی دیگهای بخار فایر تیوپ حداکثر به 80 % می رسد . نصب پیشگرمکن آب ورودی بویلر در مسیر خروج دود از بویلرهای فایر تیوپ این امکان را می دهد که چند درصدی راندمان حرارتی بویلر افزایش یابد.

پارامترهای موثر در طراحی دیگهای بخار واتر تیوپ : Design data  of water tube boilers

فشار عملکرد بویلر درجه حرارت بخار خروجی  ظرفیت تولید بخار و نیز نوع ساختمان یا سوختهای مصرفی از جمله پارامترهای مهم و موثر برای طراحی دیگهای بخار واتر تیوپ هستند .

 

 سوختهای مورد  استفاده در دیگهای بخار واتر تیوپ :The fuel of water tube boilers

 گاز طبیعی گازوئیل ، نفت کوره و زغالسنگ عمده ترین سوختهای مورد استفاده در دیگهای بخار واتر تیوپ هستند و بر اساس ظرفیت حرارتی مورد نیاز بویلر و ظرفیت حرارتی سوخت ، محاسبات حرراتی بویلر و تعیین مقدار سوخت مصرفی انجام می پذیرد .

 آرایش مشعلهای بویلر :Boiler s burners arrangment :                        

 نصب مشعلهای دیگهای بخار واتر تیوپ بصورت موازی در یک دیواره و یا در دو دیواره بویلر و به صورت آرایش از گوشه های بویلر ، از کف بویلر و سقف آن طرح می گردد در آرایش موازی هیچگاه شعله به دیواره مقابل نمی رسد و شعله ها در طرفین  بصورت سر به سر نخواهد بود .

 

 

 سیستم استقرار بویلرهای واتر تیوپ  The supporting system of water tube boilers

 طراحی دیگهای بخار واتر تیوپ تا ظرفیت (ton/hr 450)تولید بخار و دارای درام آب و درام بخار بصورت ( self  support )  یا خود نگهدار انجام می پذیرد و برای بویلرهای بالاتر از ظرفیت فوق الذکر به لحاظ مسئله انبساط حرارتی لوله ها بصورت( hanging support )  توسط اسکلت فلزی نگهدارنده طرح می شوند و بدین  جهت بویلر های سنگین و دارای ظرفیت زیاد از اسکلت فلزی معظم برخوردار می باشند و برای مثال هر یک از بویلرهای نیروگاه شهید رجایی  توسط صنایع آذر آب ساخته شده است ، دارای اسکلت فلزی با وزن بیش از  1100ton  می باشد و بخش عمده ای از اجزا اسکلت فلزی خاصه در مقاطع بزرگتر بصورت ( built up )  است ارتفاع بزرگترین مقطع بکار رفته در این پروژه به 3000 میلیمتر می رسد . هر گونه انبساط حرارتی بویلر در حالت  ( self  support )  فقط بطرف بالا امکان پذیر می باشد ودر حالت ( hanging support )  یا بصورت آویزان فقط بطرف پائین امکان پذیر است 

انواع بویلر های واتر تیوپ : Kind of water tube boilers

تقسیم بندی بویلرهای واتر تیوپ متناسب با ظرفیت تولید بخار  این بویلر ها و فشار کارکرد می باشد .

  1- بویلر های  نوع Sor 

 در این بویلر ها با شرایط فشار بحرانی( super critical pressure )

 بیش از 2 200 kg / m  و ظرفیت تولید بخار بیش از1000 ton / hr  طراحی و ساخته می شود و در نیروگاههای حرارتی فقط استفاده می گردد نمونه این نوع بویلر ها در نیروگاه حرارتی نکاء واقع در استان مازندران می باشد و ظرفیت هر کدام از بویلر ها ی نیروگاه نزدیک به 1500 ton / hr  برای تولید  440 m wat  انرژِی الکتریکی در هر واحد می باشد بویلر های نوع Sor  دارای سیستم استقرار از نوع ( hanging support )  بوده و نیز دارای مجموعه ری هیتر  ( reheater )  می باشند . در این نوع بویلر ها معمولا طرح لوله های تشکیل دهنده بدنه دیگ بخار صورت افقی یا شیب ملایم بطرف بالا صورت می پذیرد . این نوع بویلرها دارای درام آب و درام بخار نمی باشند و بخار خروجی از Evaporator  قبل از ارسال به سوپر هیتر ها به یک Separator  می رود و پس از جدا شدن ذرات آب همراه بخار بطرف سوپر هیتر انتقال پیدا می کند سیستم انتقال آب به بویلر از ناحیه تحتانی بوده و در بویلر های طرح  SC SR , SD  از ناحیه فوقانی بویلر از استیم درام توسط لوله های دان کامر  ( down commer )  به ناحیه فوقانی بویلر بصورت طبیعی ( natural  circulation )  جریان می یابد .

2- نوع  SR  

این نوع بویلر با شرایط زیر حد فشار بحرانی و کمتر از  200 kg / cm2   و ظرفیت تولید بخار  1100ton / hr  طراحی و ساخته می شود و فرآیند تولید بخار در این نوع بویلر ها بصورت گردش جریان طبیعی یا  ( Natural circulation )  بوده که به دلیل اختلاف  دانسیته جرمی آب و بخار اشباع صورت می گیرد و این روش فقط تا فشارهای زیر حد فشار بحرانی آب و بخار اشباع  امکانپذیر است . نمونه  این نوع بویلر ها در نیروگاه حرارتی شهید رجایی می باشد  ظرفیت هر کدام از بویلر ها ی این نیروگاه  840 ton / hr  برای تولید  250mwatt انرژِی الکتریکی در هر کدام بوده و سیستم استقرار  بویلر از نوع ( hanging support )  و بویلر دارای مجموعه ری هیتر (Reheater)می باشد لوله ها ی آب و بخار تشکیل دهنده بدنه دیگ بخار به صورت  کاملا عمودی و بویلر فقط دارای درام بخار می باشد .

3- بویلر های نوع  SD :

 این نوع بویلرها در ظرفیت حداقل 450 ton / hr  وحداکثر 450 ton/hr فشار حداکثر 120 kg / cm2  طراحی و ساخته می شوند از این نوع بویلر ها در نیروگاههای حرارتی با ظرفیت متوسط و نیز بطور عمده در مجتمع های پالایشگاهی پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرد . درجه حرارت خروجی بخار این بویلر ها تاc  450 می رسد .

سیستم استقرار این نوع بویلر ها بصورت  Self support  بوده و دارای دو درام آب و درام بخارند فرآیند تولید بخار در این نوع بویلر ها بروش جریان طبیعی)  Natoral circulation  (صورت می پذیرد . این بویلر ها دارای ری هیتر  ( Reheater )  نمی باشند و طرح آنها بر اساس تولید بخار خشک یعنی با داشتن سوپر هیتر و یا بر اساس تولید بخار اشباع  ( saturated )   یعنی بدون داشتن سوپر هیتر ساخته می شوند .

نمونه هایی از این  بویلر ها با ظرفیت  227 ton / hr  در پالایشگاه های  اصفهان و اراک در حال کارند .

4- بویلرهای نوع  SC  بویلر های نوع  SC  

بویلرهای نوع SC  بویلرهای واتر تیوپ هستند که حتی المقدور در کارگاه سازنده مونتاژ کامل گردیده و به مقصد حمل می گردد و اصطلاحا این بویلر ها  ( packaged )  می باشند و ظرفیت آنها حداقل 20 و تا 100 ton / hr  می رسد این بویلر ها دارای دو درام آب و درام بخار بوده و فرآیند تولید بخار در آنها به روش جریان طبیعی تولید بخار صورت می پذیرد سیستم استقرار این  بویلر ها  Self suport  بوده و طرح آنها بر اساس تولید بخار خشک یعنی با داشتن سوپر هیتر  و یا بر اساس تولید بخار اشباع ساخته می شود درجه حرارت بخار خروجی از این بویلر ها با داشتن سوپر هیتر به 400 درجه می رسد و فشار طراحی این بویلر ها به 50 kg / cm2  می رسد از این بویلر ها بوفور در صنایع غذایی ، لاستیک سازی ، کاغذ سازی ، مجتمع های پالایشگاهی ، شیمیایی  پتروشیمی  و سلولزی استفاده می گردد ( مانند (3* 40 ton / hr ) پتروشیمی آبادان )

 5- بویلرهای سیکل ترکیبی : ( combined cicle boilers )

این نوع بویلرها در نیروگاههای سیکل ترکیبی ( گازی حرارتی ) مورد استفاده قرار می گیرند و جریان گازهای داغ حاصل از احتراق از توربین های گازی با عبور از دسته  لوله ها ی فین دار موجب انتقال حرارت به روش کنوکسیون ( convection )  با آب بخار محتوی لوله ها گردیده و نهایتا موجب تولید بخار خشک برای استفاده در توربین بخاری می گردد . طرح این دسته لوله های فین دار بصورت افقی در بویلر های سیکل ترکیبی نیروگاه گیلان و بصورت عمودی در بویلرهای سیکل ترکیبی نیروگاه قم ساخته شده اند .

اجزا دیگهای بخار واتر تیوپ  Parts  of water tube boilers

1- لوله اصلی تغذیه آب بویلر

2- پمپ تغذیه آب بویلر

3- مجموعه لوله ها و هدرهای اکونومایزر (E conomizer)

4- مخزن بخار یا استیم درام (Steam drum)

-5 لوله تغذیه و توزیع آب استیم درام

6- مخزن آب یا واتر درام (water drum)

7- لوله های  انتقال آب دان کامر  (Down commer)  

8- پخش کننده ها و توزیع کننده های آب به واتر وال

9- دیواره آبی یا بدنه بویلر یا واپوراتور(water wall)

10 ناحیه بازیاب از گرمایش گازهای خروجی (H.R.A)  

11- لوله ها ی بانگ ( بانگتیوپ)  (Bank tube)

-12مجموعه سوپر هیتر بویلر (Super heater)

13- مجموعه ری هیتر بویلر (Reheater)

14- لوله ها ی انتقال بخار اشباع از واتروال به استیم درام

15 -  لوله های انتقال بخار اشباع از استیم  درام   به سوپر هیتر

16 لوله انتقال بخار خشک یا اشباع از بویلر به محل مصرف

17 مجموعه اسکلت فلزی نگهدارنده بویلر

18- کانال های هوای گرم ورودی و دود خروجی بویلر (Ducts)

19 دریچه های تنظیم کننده هوا و دود بویلر (Dampers

20- دهانه های منبسط شونده کانالهای هوا و دود بویلر

21-پوشش بدنه دیگ بخار یا (casing)

22-مشعلها ، شیرآلات ، اندازه گیرنده ها ، شیر اطمینان

23- سپراتور بخار ( در بویلرهای    Sor)

فرآیند تولید بخار در دیگهای بخار واتر تیوپ : Steam procedure in the water tube  boilers .

همانطوریکه قبلا اشاره شد تولید بخار در دیگهای واتر تیوپ به دو روش جریان طبیعی تولید بخار و روش جریان اجباری تولید بخار صورت می گیرد .

در روش جریان طبیعی تولید بخار که در بویلر های نوع Sc , sd , sr  بکار می رود تولید بخار زیر حد فشار بحرانی و حداکثر  1200 kg /cm2  cm  امکانپذیر است و این مطلب بدلیل اختلاف دانسیته جرمی با آب اشباع و بخار اشباع صورت می گیرد در روش جریان اجباری تولید بخار که در بویلرهای نوع  SDR  استفاده می شود فشار عملکرد در حد فشار بحرانی یا بالاتر از آن می باشد مطلب بدلیل آنست که فشار های فوق الذکر اختلاف دانسیته جرمی آب و بخار اشباع نا چیز بوده عملا گردش طبیعی جریان آب و بخار در بویلر برقرار نخواهد بود .

در بویلر های نوع  SC . SD , SR  مخزن اصلی بخار یا  ( steam drum )  بعنوان جزء اصلی و بسیار مهم بویلر در سیستم جریان طبیعی علاوه برآنکه جدایش آب و بخاطر اشباع بویلر را انجام می دهد عمل تغذیه آب به مجموعه بدنه بخار یا  Evaporator  را نیز بعهده می پذیرد در این سیستم بخار جدا شده از ناحیه بالای پراتور برای خشک شدن به سوپر هیتر منتقل می گرددوآب اشباع جدا شده از نا حیه پایین مخزن توسط پمپ( ( circvaling ump  به بویلر باز می گردد .

 

 

 

 

 

شرح : تولید بخار خشک در دیگهای بخار SC , SD , SR

جریان آب تغذیه یا ( water circulation)  در فشار و درجه حرارت معین توسط پمپ

 ( feed water pump ) از طریق لوله اصلی انتقال آب بویلر ( main feed water pipe) به مجموعه اکونومایزر بویلر می گردد ( boiler economizer system)  ( شکل ضمیمه ) در این مجموعه که در مدخل گازهای احتراق خروجی بویلر قرار دارد دمای آب ورودی بویلر ضمن بازیابی از حرارت گازهای خروجی به روش انتقال حرارت کنوکسیون افزایش می یابد و سپس به درام بخار منتقل می گردد . انتقال آب از درام بخار که در شرایط اشباع قرار دارد به درام آب بویلر  توسط لوله های دان کامرو بخشی از لوله های  Bank tube  در بویلرهای Sc , sd جریان می یابد و سپس به لوله ای تشکیل دهنده بدنه دیگ بخار پخش می گردد .

در بویلر های نوع SR  با توجه به اینکه درام آب وجود ندارد انتقال آب اشباع از استیم درام به لوله های دان کامر ( Down commer piping )  به ناحیه تحتانی بویلر جریان می یابد و از طریق منیفولدها و هدرها به بدنه دیگ بخار توزیع می گردد .

تبخیر در لوله های بدنه دیگ بخار با ( water wall)  با استفاده از انرژی حرارتی ایجاد شده توسط مشعل ها بصورت انتقال حرارت تشعشعی و انتقال حرارت جابجایی در بانگBank tube تسوب انجام می گیرد . بخار اشباع متصاعد از کل لوله ها ی بدنه بویلر به درام بخار منتقل می گردد و با عبور از جدا کننده ها ( Horizontal separators )   جدایش بخار اشباع از مایع صورت گرفته  و بخار از ناحیه بالای استیم درام از رطوبت گیرها( chevron draiers )  عبور نموده و به صورت اشباع از استیم عبور  خارج می گردد . چنانچه در طرح بویلر سوپر هیتر پیش بینی شده باشد بخار اشباع برای خشک شدن به سوپر هیتر منتقل می گردد . سوپر هیتر در بویلرهای نوع SC معمولا در یک مرحله طرح می گردند ودر بویلرهای نوع SD معمولا در یک مرحله قرارگرفته اند و در بویلر های نوع SR , SOR  در سه مرحله و یا بیشترین طرح می گردند . کویل های سوپر هیتر در معرض گازهای احتراق از ناحیه کوره ( furnace )  قرار دارند و سبب می گردد تا بخار درون آنها از حالت اشباع به سوپرهیت تبدیل گردند .  بخار خشک  تولید شده از طریق لوله اصلی بخار  ( main steam pipe )  به ناحیه مصرف ارسال می گردد .

در بویلرهای نوع SR  مجموعه ای از کویل ها بنام ری هیتر  ( reheater )  قرا ردارد که در معرض گازهای احتراق درون بویلر می باشد و در این بویلرها بخار خارج شده از توربین مرحله اول H.P یا مجددا برای بازیابی از گرمایش گازهای احتراق خروجی و رسیدن درجه حرارت آن به درجه حرارت بخار خشک خروجی از سوپر هیتر به بویلر بازگردانده  می شود و در بویلر به مجموعه لوله های ری هیتر منتقل می گردد پس از بازیابی حرارت بخار  با شرایط فشار حدود 30%  فشار ورودی به توربین ولی با درجه حرارت سوپر هیتر به توربین مرحله دوم I . P  انتقال پیدا می کند از توربین مرحله دوم مستقیما به مرحله سوم توربین و سرانجام بصورت اشباع در کندانسور تخلیه می گردد . انرژِی بخار از طریق پره های توربین عملا موجب چرخش  rotor   و تولید انرژِی مکانیکی از طریق محور انتقال نیرو و چرخش محور ژنراتور را برای تولید انرژِی الکتریکی سبب می گردد .

تکنولوژِ ی دیگهای بخار 

لوله اصلی تغذیه آب بویلر :  ( FEED WATER PIPE )

 این لوله وظیفه انتقال  آب بویلر را به درام بخار بعهده دارد و طراحی آن متناسب با ظرفیت بویلر و در شرایط حداقل سرعت  1M/SEC  و درجه حرارت طراحی برای مواد متناسب با دمای اشباع و در فشار طراحی صورت می گیرد . انتقال آب از این لوله توزیع داخل درام ( DISTRIBUSTION PIPE  )  می باشد .

 

  پمپ تغذیه آب بویلر : ( FEED WATER PUMPE )

 افزایش فشار هیدرواستاتیکی آب توسط پمپ صورت می گیرد و طراحی آن ضریب 10 % اضافی را در نظر می گیرند . بدلیل عملکرد مداوم بویلرهای واتر تیوپ و به لحاظ شرایط و ملاحظات دینامیکی معمولا  دو پمپ پیش بینی می شود و همیشه یکی در حالت ( RESERV)می باشد  . فشار خروجی پمپ برابر است با فشار طراحی بویلر ( فشار داخل درام بخار ) بعلاوه مجموع افت جریان آب در لوله تغذیه آب بویلر و لوله اکونومایزر .

 مجموعه لوله ها و هدرهای اکونومایزر : ( ECONOMAIZER )

 این مجموعه که در مسیر گازهای خروجی قرار می گیرد برای افزایش درجه حرارت آب تغذیه بویلر می باشد . جریان ورودی بویلر قبل از انتقال به درام بخار از این مجموعه عبور می کند لوله های اکونومایزر از نوع ( FINNED  TUBE )  انتخاب گردیده و درجه حرارت طراحی متناسب با درجه حرارت اشباع شده و در فشار طراحی می باشد متناسب با انتقال حرارت جابجایی  CONVECTION ) ) حجم اکونومایزر مشخص می گردد و در بویلرهای نوع  SD , SC  بصورت مجموعه ای خارج از بویلر در مدخل کانال دود و در بویلر های نوع SOR , SR  در داخل بویلر ناحیه HRA ( ناحیه بازیاب حرارت از گازهای خروجی بویلر ) نصب می گردد با توجه به اطمینان از فضای کافی در بویلرهای  SR , SOR لوله های اکونومایزر از نوع بدون FIN انتخاب می گردند .

 مخزن بخار با استیم درام و متعلقات آن : ( STEAM DRUM )

 استفاده از استیم درام در بویلرهای گردش جریان طبیعی آب و بخار برای توزیع آب به اپراتور و نیز جدایش آب و بخار بویلر صورت می گیرد . طراحی استیم درام متناسب با فشار طراحی و درجه حرارت در حالت اشباع و نیز ظرفیت بخار درام صورت می گیرد  جنس مواد نیز  ( A302 , A 515 – GR 70 ) و استاندارد ( TRD)   از WB 36  انتخاب می گردد ،  از اجزا متعلقات داخلی درام می توان به رطوبت گیر ها CHEVRON DRAYER  جداکننده های آب  از بخار

(HORIZE NTAL EPERATOR) لوله توزیع آب تغذیه ( DISTRBUSION FEED PIPE) و لوله شیمیایی( CHEMICALDOSING)  اشاره کرد . نازلها متعلق به لوله ها ی پایین آورنده است ( DOWN COMMER ) و نیز اتصالات خارجی آن می باشند .

 لوله تغذیه و توزیع آب استیم درام ( DISTRIBUSION PIPE ) این لوله  توزیع آب بویلر را در طول استیم درام بعهده دارد و در ناحیه کف درام نصب می گردد

 مخزن آب یا واتر درام : ( WATER DRUM )

 استفاده از واتر درام در بویلرهای نوع ( SC , SD )  صورت می گیرد و طراحی آن متناسب با فشار طراحی و درجه حرارت طراحی و حالت اشباع می باشد جنس واتر درام مشابه درام بخار می باشد ، تغذیه آب در بدنه دیگ بخار از واتر درام صورت می گیرد فی مابین درام بخار و درام آب دسته  لوله های موسوم به بانگ تیوپ نصب می گردد ، تکیه گاه عمده بویلرها ی نوع ( SD , SC )  توسط تکیه گاهها ی متصل به درام آب روی فونداسیون می باشد .

 لوله های انتقال آب از درام به بدنه بویلر : ( DOWN COMMER PIPING )

 دیگهای بخار با گردش جریان طبیعی آب و بخار درام بخار به درام آب و یا به مینفولندها و هدرها ناحیه  زیرین بویلر می باشند . حداقل قطر لوله ها که در بویلرهای نوع (SC )   بکار می رود "4 و تا قطر "12 نیز در دیگهای بخار سنگین بکار می رود اتصال این لوله ها به درام بخار از طریق نازل جوشکاری شده به درام انجام می پذیرد . طراحی این لوله ها  متناسب با فشار و درجه حرارت طراحی شده اشباع می باشد ، جنس این لوله ها ( A 106 – GRC ) انتخاب می گردد ، در خصوص خمکاری این لوله ها با استفاده از روش ( H.F. BENDING) در سایزهای بالاتر از "8 اقدام می گردد .

 هدرها و منیفولدها : (HEDERS AND MANIFOLD)

 استفاده از منیفولدها برای توزیع آب انتقالی از لوله ها ی دان کامر به هدرهای ورودی دیواره های دیگ بخار در بویلرهای SOR , SR  می باشد و نقش هدرها توزیع آب به لوله های بدنه دیگ بخار یا  EVAPORATOR  به عنوان هدرهای ورودی ( INIET HEADERS ) و نیز جمع آوری آب و بخار اشباع و انتقال به درام بخار بعنوان هدرهای خروجی OUTEL HEADERS  از طریق لوله های رایزر RISER  می باشد . هدرها در ورود و خروج دسته لوله ها ی اکونومایزر و سوپر هیتر و ری هیتر استفاده می گردند . طراحی هدرهای ناحیه بدنه دیگ بخار متناسب با درجه حرارت اشباع و فشار صورت می گیرد و مواد از  A 106 – GRC انتخاب می گردد  البته طراحی هدرهای سوپر هیتر متناسب با درجه حرارت بخار داغ و فشار مربوطه خواهد بود .

 سوپر هیتر : ( SUPER HEATER)

افزایش درجه حرارت بخار اشباع متصاعده از درام بخار در کویل المنتهای سوپر هیتر که در معرض گازهای داغ احتراقی قرار دارند صورت می گیرد . این کویلها بصورت افقی یا عمودی طرح و در بویلر نصب می گردند . بخار ورودی به کویلهای سوپر هیتر جهت افزایش درجه حرارت و خشک شدن آن از طریق هدر ورودی سوپر هیتر و نیز بخار سوپر هیت از طریق هدر خروجی سوپر هیتر به بیرون منتقل می گردد جنس لوله های سوپر  هیتر  از فولادهای کرم ، مولیبدن و فولادهای زنگ نزن (ST . STEEL) متناسب با درجه حرارت طراحی انتخاب می گردند بویلرهای دارای سوپر هیتر عمدتا در مصارف نیروگاهی کاربرد دارند و در مواقعی نیز در پروسه های تولید در صنایع نفت و گاز پتروشیمی استفاده می گردد .

 ری هیتر :( REHEATER )

 استفاده از مجموعه کویل المنتهای ری هیتر در بویلرهای نوع ( SOR , SR ) و مصارف

نیروگاه های ویژه توربین های بخار چند مرحله ای می باشد بدین نحو که بخار سوپر هیت بعد از عبور از توربین مرحله اول    ( Hp  )  برای افزایش مجدد و درجه حرارت بخار تا حد طراحی به بویلر بازگردانیده شده و دمای آن به همان دمای اولیه سوپر هیتر افزایش می یابد . بخار با این درجه حرارت ولی با فشار کمتر به توربین مرحله دوم ( I.P  )  انتقال می یابد . مجموعه  کویلهای ری هیتر در ناحیه بازیابی حرارت گازهای احتراقی خروجی بویلر نصب می گردد . جنس لوله های ری هیتر از فولادهای کرم ، مولییدن ، انتخاب می گردد .

 

 

فرآیند طراحی دیگهای بخار

متناسب با ظرفیت بویلر ( ظرفیت حرارتی و بخار  خروجی در حالت اشباع و یا سوپر هیت ) و نیز توام با فشار طراحی و درجه  حرارت بخار خروجی  ، طراحی بویلر انجام می پذیرد .

فرآیند طراحی شامل طراحی حرارتی ، طراحی مکانیکال و طراحی جزئیات و ترسیم نقشه های فنی اجزا بویلر اعم از  نقشه های مونتاژ و نقشه  های جزئیات می باشد و بدنبال آن لیست مواد خام و لیست اجزا خریداری تهیه می گردد .

در خصوص طراحی  حرارتی بویلر ، محاسبات سوخت و احتراق با در نظر گرفتن درصد هوای اضافی بر اساس سوخت مصرفی بویلر ، درجه حرارت ناحیه احتراق، دبی جرمی گازهای احتراقی درجه حرارت گازهای احتراقی خروجی از ناحیه احتراق تعیین مقدار سوخت مصرفی بویلر ، تعیین حجم محفظه استیم درام ، تعیین قطر درام و محاسبه سطح حرارتی مورد نیاز سوپر هیتر و ری هیتر ، محاسبه ضریب چرخش طبیعی آب و بخار ، طراحی سیستم لوله های آب بخار و سوخت محاسبات افت فشار سیستم محاسبات تعیین شده درجه حرارت مواد برای انتخاب مناسب جنس لوله ها و ورقها و افت دودکش و . . . صورت می گیرد .

 در بخش طراحی مکانیکال بویلر محاسبات ضخامت مورد نیاز لوله های آب  بخاردر ناحیه بدنه دیگ بخار یا واترال و در اکونومایزر ، در سوپر هیتر ها و ری هیتر ها و نیز هدرهای ورودی و خروجی آب و بخار توام با شرایط فشار ناحیه و درجه حرارت طراحی انجام می گیرد .

ضخامت بدنه درام بخار و درام آب نیز از جمله مواردی است که در بخش طراحی مکانیکال محاسبه می شوند . طراحی جزئیات بویلر ، شامل طراحی کلیه اتصالات اعم از اتصالات جوش شونده و اتصالات پیچی و نیز تقویتی ها و اجزا غیر تحت فشاری بویلر از کانالهای هوا و دود و ساپورت یا نگهدارنده آنهاو اتصالات مرتبط یا نگهدارنده آنها و اتصالات مرتبط یا نگهداری لوله های اصلی و فرعی خواهد بود ترسیم نقشه های مونتاژ کلی بویلر که از ابتدا بحث طراحی حرارتی تا آخر بحث طراحی مکانیکال مورد مطالعه دقیق و بررسی قرار می گیرد . بعد از نهایی شدن ابعاد کلی اقدام به تهیه نقشه های مونتاژ ی اجزا و نیمه مونتاژی می گردد . و در این خصوص می توان نقشه های دیتیل خاص هر قطعه را نیز در نظر گرفت . تهیه لیست مواد خام و لیست مواد و تجهیزات خریداری بعد از انجام  طراحی مکانیکال و طراحی جزئیات صورت می گیرد و استاندارد مواد و تجهیزات پیش بینی شده در طراحی مبنا انتخاب و خرید و تجهیزات می باشد .

 

فرآیند ساخت اجزا دیگهای بخار

در ساخت اجزا دیگهای بخار واتر تیوپ فرآیند های زیر بطور عمده مورد استفاده قرار می گیرد . خمکاری لوله های آب بخار، رولکاری ورقهای جداره درام آب و درام بخار ، برشکاری لوله ها ، برشکاری ورقهای جداره درام آب بخار ، سوراخکاری جداره های درام آب و بخار جوشکاری با روشهای مختلف در ساخت و مونتاژ اجزا بویلر اکسپند لوله ها در جداره های درام  آب و درام بخار ، مونتاژ بویلر ، نصب تجهیزات مکانیکال ، تست هیدروستاتیک ، تنش گیری درام های آب و بخار تمیز کاری مواد خام شامل لوله ها و ورقها قبل از ساخت ، تمیز کاری بعد از جوشکاری و رنگکاری و بسته بندی محصول ، بنا به ترتیب که مواد تبدیل به محصول می گردد این مرحله توضیح داده می شود

 بازرسی مواد دریافتی :

تطبیق ابعادی مواد دریافتی با آنچه که در برگ رسید مواد و نیز تطبیق با پانچ مواد و جنس آن با گواهی نامه یا(certificate) تولید کننده مواد بازرسی ظاهری بخصوص عدم زنگ زدگی سطوح از جمله اقداماتی است که در بازرسی مواد دریافتی صورت می پذیرد و در مواد خام و در صورتیکه به جنس مواد اطمینان لازم حاصل نگردد آنالایزر شیمیایی برای تعیین عناصر آلیاژی صورت می پذیرد  و با نمونه استاندارد آن که در کتب مواد و هندبوک  مواد ، درصد عناصر مشخص شده اند این تطبیق انجام می شود و پس از تطبیق برای ساخت ارسال می شوند .

 

 عملیات مارکینگ برای قطعه زنی :

مطابق نقشه ابعاد ورق یا لوله یا میلگرد علامتگذاری می شود و اندازه علامتگذاری  شده با اندازه مندرج در نقشه مربوط به ساخت قطعه چک می گردد و پس از انطباق قطعه برای اجرای عملیات برشکاری ارسال می گردد .

 عملیات قطعه زنی و ماشین آلات مربوطه :

تجهیزات قطعه زنی برای عملیات برشکاری شامل دستگاههای گیوتین برش گاز دستی برش گاز اتومات ، برش گاز اتومات  ، برش گاز نیمه اتومات ، برش گاز پلاسما ویژه مواد استیل ، برش بوسیله اره دیسکی ویژه میلگردها ، می باشد که بنا به ظرفیت هر دستگاه و ضخامت مواد و نیز ابعاد قطعه برش شونده ، عملیات قطعه زنی صورت می پذیرد . این نکته ضروری است که پس از انجام عملیات قطعه زنی بایستی پلیسه گیری انجام شود و شماره قطعه روی آن پانچ می گردد و ضمنا ابعاد بر اساس اندازه مربوط در نقشه کنترل می گردد .

پخ زنی ورقها  و قطعات :

با استفاده از دستگاههای برش و نیز دستگاه پخ زنی با استفاده از فرزیا اجمیل و نیز سنگ زنی و یا در مورد لوله ها با انجام(facing) بر طبق نقشه دیتیل پخ انجام می پذیرد .

 خمکاری لوله ها :

عملیات خمکاری از فرآیندهای اصلی در ساخت بویلر است و بصورت نیمه اتومات توسط دستگاههای خم کاری لوله تا قطر 4 اینچ و نیز به توسط خمکاری تمام اتوماتیک مداوم (C.L.T.B) انجام می پذیرد  ، خمکاری لوله های با قطر زیاد و ضخامت بالا مانند لوله های انتقال بخار بویلر به توربین و لوله  تغذیه آب بویلر که بالاتر از سایز 8 اینچ باشد  توسط دستگاه خمکاری تمام اتوماتیک با فرکانس بالا انجام می گیرد .

کیفیت ناحیه خم و نیز کنترل مقدار ضخامت کاهش یافته در ناحیه خارجی خم  از اهمیت بالایی برخوردار است خمکاری لوله ها با نسبت    و با نسبت           به روش گرم انجام می گیرد . کنترل قطعه بعد از اتمام فرآیند خمکاری در روی میز صافی با انجام مارکینگ صورت می گیرد .

 رول کاری ورقهای جداره درام  آب و درام بخار

 از فرآیندهای ویژه در ساخت دارم آب و درام بخار بویلر انجام رول کاری ورقهای جداره یا (shell)   می باشد تجهیزات که در این خصوص به کار می رود استفاده از یک رول متوسط یا سه غلتک رولکاری برای ضخامت های حداکثر تا 30 میلیمتر و نیز برای ضخامت های بالاتر از 30 میلیمتر الی 100 میلیمتر  با استفاده ار رول سنگین با چهار غلتک و در صورت آنکه ضخامت بیشتر از 100 میلیمتر باشد از رول سنگین با چهار غلتک و در صورت آنکه ضخامت بیشتر از 100 میلیمتر باشد از روش رولکاری گرم ( hot rolling )  در شرایط که درجه حرارت ورق در کوره پیشگرم بیش از 700 سانتی گراد می باشد انجام می گیرد دستگاههای رولکاری این مکان را دارند که با تغییر زاویه غلتکهای جانبی رولکاری جداره ها ( shelL ) های مخروطی را نیز انجام می دهد و در این حال سطح ناحیه قطر بیشتر مخروط روی غلتکهای جانبی سائیده می شود این مساله به دلیل ثابت بودن سرعت عملیات رولکاری و تفاوت سرعت محیطی در قطر به خاطر اختلاف قطر کوچک و قطر بزرگ می باشد .

 فرآیند رولکاری مجدد :

در انجام رولکاری جداره های که دارای ( flat end ) می باشد لازم است بعد از رولکاری اول لبه های اضافی بریده شود و پس از انجام پخ زنی  با دستگاه فرز عمومی یا کاروسل مجددا رولکاری صورت می گیرد

 عملیات مونتاژ درام بخار و درام آب بویلر : (dram assembly )

با اتمام فرآیند رولکاری مجدد شل های درام مونتاژ صورت می گیرد . در این مرحله خطوط طولی جوشکاری بروش جوشکاری زیر پودری ( submerged arc welding )  اتومات طی پاسهای مختلف انجام و تکمیل می گردد بعد از اتمام این مرحله از جوشکاری رولکاری نهایی جهت همگن سازی قطری شلها صورت گرفته و برای انجام تست رادیوگرافی به سالن اشعه ایکس ارسال می گردند در صورت اطمینان از عدم هر گونه عیب در جوشکاری پخ زنی محیطی دو طرف دستگاه فرز عمومی ( کاروسل ) انجام می شود روی لبه ها ( البته در مواقعی این پخ زنی امکان دارد در همان وهله اول صورت گرفته باشد ) مونتاژ شلهای درام بهمدیگر با رعایت حد کامله معین خطوط جوشکاری طولی به همدیگر انجام و جوشکاری بروش فوق الذکر در روی خطوط محیطی  صورت گرفته و پس از اتمام مراحل جوشکاری محیطی شلها بهمدیگر برای انجام تست رادیوگرافی به سالن اشعه ایکس ارسال می گردند ، اتصال کلگی های دو طرف شل که از قبل آماده شده اند می تواند قبل از ارسال به انجام رادیوگرافی صورت گیرد و لذا در یک مرحله دوم رادیوگرافی تمامی فرزهای محیطی انجام و یا بعد از اتمام رادیوگرافی در زمان محیطی شبلها بهم دیگر صورت می گیرد و لذا در یک مرحله سوم نیز پس از انجام مونتاژ کلگی ها به شلها رادیوگرافی باز انجام می گردد با پایان عملیات رادیوگرافی و اطمینان از عدم وجود هر گونه عیب در خطوط جوشکاری طولی و محیطی ، جوشکاری قطعات اتصالی به درام بخار و درام آب انجام می گیرد و پس از پایان کلیه عملیات جوشکاری ، عملیات حرارتی درام انجام می گیرد .

 عملیات حرارتی درام آب و درام بخار : ( HEAT TREATMENT)

 با توجه به بالا بودن حجم عملیات جوشکاری بدلیل ضخامت درام بخار و درام آب و نیز جنس قطعه ، عملیات حرارتی بر طبق دستورالعمل استاندارد و مطابق با گراف آن در کوره تنش گیری انجام می گیرد .

این مرحله از عملیات سوخت بمنظور حذف تنش های پس مانده ناشی از عملیات رولکاری و تنش های حرارتی نواحی جوش با توجه به حجم بالای جوشکاری انجام شده صورت می گیرد .

 

10- تست هیدروستاتیک ( HYDROSTATIC TEST )

پس از عملیات حرارتی درام و انجام تست مایع نفوذ پذیر (PT) روی درزهای جوش ، تست آب یا هیدروستاتیک انجام می شود . فشار آب که حداقل در 5 درجه سانتیگراد جریان می یابد به 5/1 برابر فشار حداکثر کاری (MAWP) می رسد . این عمل نیز توسط یک گراف موسوم به گراف تست هیدروستاتیک و دستورالعمل مربوط راهبرد میگیرد .

تست هیدروستاتیک برای اطمینان نهایی از شرایط فشار تحمل مواد در کارکرد و عدم وجود هر گونه ترکهائی در قطعه می باشد .

 عملیات سوراخکاری درام آب و درام بخار : (DRILLING)

بعد از پایان فرآیند تست هیدروستاتیک انجام مارکینگ ، سوراخکاری محل نصب لوله ها و نازلها انجام می پذیرد . چنانچه این سوراخها مربوط به اتصال لوله هایی می باشند که به جداره درام اکسپند شوند یک یا دو شیار در جداره داخلی سوراخها ایجاد می شوند . این کار به دلیل اطمینان از آب بندی اکسپند نمودن لوله ها در سوراخ می باشد و اما اگر سوراخها مربوط به اتصال یا نازلهائی که به جداره درام جوش می شوند سوراخها خزینه کاری شده و یا برای  نازلها پخ زده می شود . در اصطلاح این نوع اتصال (STUB TUBE ) گفته می شود .

 ساخت هدر ها : ( HEADERS )

هدرهای بویلر که در بخش اکونومایزر  کوره و سوپر هیتر استفاده میگردد نقش توزیع آب و بخار به مجموعه و بالعکس را دارند و در خروجی مجموعه لوله های اکونومایزر سوپر هیتر و نیز واتروال نصب می گردند از لوله ها ضخامت بالا تهیه می شده و عملیات سوراخکاری روی آنها متناسب با تعداد لوله های متصله انجام می گیرند اتصال لوله ها و نازلها به هدرها تماما بر اساس اتصال نوع ( STUB TUBE ) بوده و لذا سطح بیرونی سوراخ روی هدر پس از انجام سوراخکاری خزینه کاری میگردد و یا پخ زده می شوند .

عملیات حرارتی هدرها : ( HEADER HEAT TREATMENT )

پس از عملیات جوشکاری لوله به هدر با  توجه به بالا بودن ضخامت هدرها لازم است عملیات حرارتی در نواحی جوشکاری شده صورت پذیرد بهتر است این عملیات بصورت موضعی فقط روی نواحی جوشکاری شده انجام گردد و از حرارت دهی مجموعه لوله ها که فقط خمکاری روی آنها صورت پذیرفته است پرهیز گردد این نوع عملیات حرارتی اصطلاحا ( LOCAL HEAT : TREATMENT ) گفته می شود و با استفاده از المنت های الکتریکی انجام می شود .

 ساخت دیواره بویلر یا واترال ( WATER WALL )

دیواره بویلر یا ناحیه کوره از لوله های موازی هم تشکیل شده و فیما بین آنها از فین ها برای اتصال لوله ها استفاده می گردذد این دیواره ها یا دسته لوله ها اصطلاحا ( PANEL ) گفته می شود و چنانچه به عملیات خمکاری نیاز داشته باشند با استفاده از دستگاه خمکاری گروهی لوله ها یا ( PANEL BENDING ) این کار انجام می گیرد و چنانچه این لوله ها از دو طرف به درام آب و درام بخار متصل می گردد هر دو طرف ( SUAGED ) می شوند بدین معنی که لوله های واتروال به درام کمتر می گردد البته در خصوص بویلرهائی که اتصال لوله های واتروال به درام بخار و آب از نوع ( expand  )  باشد .جوشکاری لوله ها و فین های فیمابین توسط  دستگاه ( PANEL WELDING MACHIN ) انجام می گردد البته روش جوشکاری موجود از روش  زیر پودری یا ( saw) استفاده می گردد ولیکن جوشکاری بروش CO2 WELDING) ) نیز صورت می گیرد .

مونتاژ اجزا تحت فشار :

در عملیات بویلرهای واتر تیوپ نوع  پکیچ بویلر و نیز بویلر های صنعتی ابتدا درام بخار در محل فونداسیون نصب گردیده و با استفاده از یک استراکچر موقت درام بخار را در محل خود قرار می دهند و بعد از تنظیم حد فواصل دو درام و نیز تنظیم افقی آن نصب لوله های بانگ تیوپ بصورت مونتاژ موقت انجام می پذیرد و پس از تکمیل آنها عملیات اکسپند کاری روی بخار و درام آب  بر اساس نظم مشخصی انجام می گردد نصب پانلهای موسوم به (FURNAS TUBE )  و دیواره های جلو و عقب بویلر نیز بدنبال آن انجام می پذیرد و بویلر برای انجام تست هیدروستاتیک  آماده می شوند تست هیدروستاتیک کامل بویلر بر اساس فشار 5/1 برابر فشار طراحی انجام می پذیرد و پس از اطمینان از عدم هر گونه نشتی و یا ترمیم نواحی نشت بویلر برای نصب ( CASING ) آماده می شود . تجهیزات بویلر شامل مشعل ، شیر اطمینان بخار ، شیر آلات ، ابزار آلات دقیق لوله های اصلی تغذیه آب و انتقال بخار بویلر و لوله های مرتبط با سیستم سوخت رسانی و نیز مدارهای الکتریکی آن نیز انجام می گیرد .

نکات ویژه در نگهداری و راه اندازی بویلر :

رعایت دستورالعمل و نگهداری بویلر چه در زمان توقف و چه در زمان کارکرد از اهم وظایفی توسط بهره بردار باید مورد توجه قرار گیرد و در این خصوص دستورالعمل انجام کار از طرف سازنده ارائه می گردد اما آنچه نباید از آن غفلت گردد بطور خلاصه :

1. اطمینان از عدم وجود هر گونه نشتی در مسیر لوله های انتقال سوخت به مشعل و نیز لوله های انتقال آب و بخار بویلر و نیز بازرسی های موردی در زمانهای مقتضی .

2. اطمینان از تخلیه گازهای انباشتی در ناحیه کوره و یا هوای اضافی بویلر در زمان راه اندازی .

3. بازرسی های دوره ای از اجزا  تحت فشار بویلر در زمان توقف خاصه در جداره لوله ها نواحی خم و اتصالات .

4.  کنترل مداوم سطح آب درام بخار .

5. آزمایش مداوم آب بویلر بر اساس دستورالعمل اجزائی مشخصات آب بویلر

6. اطمینان از عدم رشد هر گونه خوردگی در داخل لوله های بویلر و بازرسی های موردی شش ماهه.

7. کالیبره نمودن دوره ای ابزار آلات اندازه گیری شامل فشار سنج ها درجه حرارت سنجها و غیره .

8. اطمینان از خنک کاری اجزا سیستم های دینامیک شامل محرکه های فن ( FDF) و پمپ تغذیه آب بویلر

9. کنترل طول شعله مشعل به نحوی که هیچگاه به دیواره واتروال مقابل برخورد نخواهد نمود .

10.                    رعایت مقادیر شیمیایی اندوختی به آب بویلر و کنترل زمان عملیات اسید شویی که از حد معین شده تجاوز ننماید که این  عمل در زمان قبل از راه اندازی بویلر و نیز اورهال اساسی در طی دوره مشخص باید با دقت انجام پذیرد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

چرخش آب در دیگ بخار :

چرخش آب در  اکثر دیگهای بخار صنعتی لوله  ، آبی و لوله آتشی بصورت طبیعی صورت می گیرد که توسط آن آب درون دیگ ، حرارت جذب شده توسط جداره داخل لوله را گرفته با خود می برد و بدین وسیله باعث خنک شدن دمای فلزی در حد قابل قبول می گردد . اساس چرخش طبیعی آب در شکل 2 در یکی از لوله ها ی دیگ بخار لوله آبی بصورت ساده ای نشان داده شده است .

اگر این مجموعه پر از آب در دمای اشباع باشد و به شاخه A سمت راست آن به لوله بالا برنده

 ( RISER ) نامیده می شود حرارت داده شود با جذب حرارت نهان آب می جوشد  و بدین ترتیب قسمتی از آن به بخار تبدیل می شود بعلت کم بودن چگالی بخار نسبت به آب ( و بالا بودن حجم مخصوص بخار ) فشار ناشی از ارتفاع H مخلوط آب و بخار در پائین شاخه  B  کمتر از این فشار در ستون آب اشباع شاخه سمت چپ  C  خواهد بود . این وضعیت پایدار نمی ماند و جریانی به سمت بالا در ستو ن سمت راست برقرار خواهد شد . مقدار این فشار به اندازه ای است که تمام افت فشار یا مقاومت موجود در مقابل جریان را از مخزن بخار تا لوله پائین آورنده  DOWN COMER   و برگشت به لوله بالا برنده تا مخزن بخار را تامین می نماید و در حالت تعادل برابر با اختلاف ارتفاع بین ستون  A , C  می باشد . مقدار آب در چرخش در این مجموعه باید چندین برابر کل بخار ایجاد شده در لوله بالا برنده باشد تا شرایط مطلوب برقرار گردد . مقدار آب در چرخش در فشارهای بالا ( 200 BAR ) چهار برابر  بخار تولید شده و در فشار های پائین تا 30 برابر خواهد رسید . این عدد فاکتور چرخش  CIRCULATING FACTOR  می نامند و مقدارش برابر است با : جرم بخار آب تولید شده در لوله ها / جرم آب جاری در لوله ها = فاکتور چرخش روند انتقال حرارت از لوله ها به آب بسیار پیچیده است .

آب تغذیه دیگهای بخار معمولا با دمائی کمتر از دمای اشباع و با فشار عملیاتی دیگ به آن وارد می شود . اختلاط این آب و آب با دمای اشباع دیگ باعث کاهش دمای آب در لوله پائین آورنده به کمتر از دمای اشباع می گردد و اصطلاحا می گویند نیمه سرد  sub cooled  می شود که مقدارش بستگی دارد به دمای آب تغذیه و مقدار آب چرخش در مدار دیگ دارد . در اثر ایجاد این تغییر در لوله  پائین برنده و بالاتر بودن فشار استاتیکی (نقطه  B  ) از فشار داخل مخزن بخار به علت فشار استاتیکی لوله پائین آورنده مقداری حرارت لازم است تا دمای آب این لوله به دمای اشباع برسد . در حین گرم شدن و بالا رفتن دمای آب نیمه سرد به دمای اشباع انتقال حرارت به قسمت اعظم آب مجاور سطح لوله از طریق جابجای یا ایجاد بخار در سطح لوله ها انجام می گیرد که این حبابها توسط تلاطم موجود در آب حمل شده و پس از تقطیر شدن گرمای نهان خود را بصورت گرمای محسوس آب میدهند . نکته قابل توجه در طراحی دیگهای آب جوش این است که دمای آب در شار حرارت بالا است .

کنوکسیون یا جابجایی به تنهایی نمی تواند حرارت جذب شده توسط فلز را خارج سازد و این امر با ایجاد جوشش حبابی میسر می گردد . بی توجهی به این موضوع منجر به محاسبه غلط دمای فلز و پیامدهای شدید به خصوص در دیگهای لوله آتشی که ضخامت فلز بیشتر از ضخامت لوله در دیگهای لوله آبی می گردد .

وقتی آب در دمای اشباع  خود باشد جوشش حبابی صورت می گیرد و ضمن آن حبابهای ایجاد شده می ترکند و از سطح فلز دور می شوند . در نتیجه آب بیشتری به لوله وارد می شود . در نتیجه آب بیشتری به لوله وارد می شود و باعث  بالا بردن ضریب انتقال حرارت و کاهش دمای فلز می گردد . در شارهای حرارتی بالا حبابها به آسانی نمی ترکند و از محیط دور نمی شوند بلکه به یکدیگر پیوسته و ایجاد فیلمی از بخار می نمایند . این امر باعث کاهش میزان انتقال حرارت بین فلز و لوله و آب ( در سمت آب ) شده و دمای فلز را بالا می برد . این پدیده را جوشش فیلمی می نامند . فصل مشترک دربین این دو جوشش را نقطه انحراف از جوشش حبابی می نامند . نحوه عملیات در دیگهای صنعتی به جز دیگهای یک سویه باید به نحوی باشد که با طراحی دقیق در سیستم چرخشی آب جوشش به صورت حبابی باشد .

ضوابط چندی جهت برقراری ضریب انتقال حرارت بالا در سمت آب دیگهای بخار به کار رفته تا جریان مطمئنی از آب را در مدار چرخشی آب تامین نماید در انتخاب این ضوابط بررسیهای بیشماری به عمل آمده است که از آن جمله سرعت آب ورودی به لوله ، سرعت جرمی مخلوط ( آب و بخار ) و درصد حجمی بخار در خروجی لوله حرارت داده شده را می توان ذکر کرد . گر چه اصل  محاسبات  چرخش آب یکی از اصول ساده هیدرولیک است ولی محاسبات واقعی به علت عوامل چندی از جمله یکنواخت نبودن میزان حرارت داده شده در سراسر طول لوله و در نتیجه مشکل محاسبه فشار استاتیک در لوله بالا برنده بسیار پیچیده است علاوه بر این مشکل دیگری که در دیگهای لوله آبی با چرخش طبیعی وجود دارد وجه استراک بعضی از قسمتها در کلیه مدارهای دیگ است و بطور مثال با توجه به شکل شماره 3 ملاحظه می شود که از ناحیه کنوکسیون و تمامی لوله های محفظه احتراق ( در سمت دیواره های جلو ، کنار و عقب ) همگی از طریق آب مخزن پائینی تغذیه می شوند . این جریان از طریق یک ردیف لوله های پائین آورنده رابط (بین دو مخزن ) برقرار می شود که بین همه مدارها مشترک هستند و موضوع قابل توجه دیگر این که در لوله های عمودی یا مایل به عمود جبابهای ایجاد شده به علت اختلاف چگالی آب و بخار ، سریعتر ا ز آب به طرف بالا حرکت می کنند . اختلاف سرعت  بین بخار و آب در فشارهای پائین که اختلاف چگالی زیادتر است بیشتر می باشد . این پدیده که به نام گریز یا جریان ناپیوسته نامیده می شود در مقابل جریانهای همگون که در آنها فرض بر یکی بودن سرعت آب و بخار است قابل توجه می باشد

 

با توجه به شکل شماره 3 مشاهده می شود که لوله های داغ شده کوره ، توسط لوله های پایین آورنده بیرونی یا لوله های تغذیه کننده ، تغذیه می شوند و مخلوط آب و بخار مدارهای دیوار جانبی از طریق لوله های بالا برنده به مخزن بخار بر میگردد . امروزه سعی بر این است که با کاهش تعداد و اندازه لوله ها هزینه ها را به حداقل برسانند .

اندازه و تعداد بهینه را می توان با خصوصیات چرخش مدارها مشخص ساخت که در دیگهایی با جریان طبیعی نکات قابل توجه از این قرار اند :

 تعداد زانوییها را به حداقل برسانند .

از به کار گیری لوله هایی که حرارت داده شده در ورودی آنها کم و در خروجی آنها زیاد  باشد خودداری کنید .

از به کارگیری مدارهای موازی و به هم پیوسته با اختلاف فشار زیاد در سمت آب خودداری کنید . زیرا این امر منجر به افزایش جریان در لوله های کم فشار جهت برقراری جریان کافی در لوله های پر فشار می گردد .بنابراین تعداد لوله های بالا برنده و پائین آورنده بیشتر از مواردی که به طور مستقل عمل  کنند ، خواهد شد . دیگهای لوله آتش مولد بخار یا آب جوش با چرخش طبیعی کار می کنند ، اما محاسبه چگونگی چرخش بعلت تغییر حرارت داده شده در طول هر مسیر از لوله ها و آرایش لوله ها مشکل است . در اینجا نیز تجربه نقش عمده ای در انتخاب مناسب آرایش لوله ها در این دیگها دارد .

انتخاب نوع دیگ :

انتخاب دیگ مورد نیاز جهت کاربری خاص بستگی  به عوامل زیادی دارد که از آن جمله می توان به محدودیت عمده طرحهای موجود از نظر  ظرفیت ، فشار و دمای بخار نام برد . این محدودیتها در سطح گسترده ای در بین سازنده ها متفاوت است و بستگی  به تخصص آنها در تولید انواع دیگهای بخار دارد .

بنابراین هر محدودیتی که در این بحث به آن اشاره می شود در ارتباط با مسایل کلی صنعت است . به طور نمونه ممکن است سازنده ای برای مورد خاص ، دیگ بخار لوله آبی کوچکی را معرفی نماید . هزینه ها نیز ممکن است بین یک سازنده دیگر فرق  کند و امر انتخاب را مشکل سازد . مقایسه های این فصل با این فرض است که همه انواع دیگها توسط یک سازنده ساخته شده است . شاید عوامل عمده در تاسیس یک کارخانه هزینه  اولیه آن است . با رسیدن پیشنهادات مختلف قیمتها و تولیدات یکسان ، باید ارزیابی شاخصه های مهندسی پرداخت و بهترین طرح را انتخاب نمود و به نکات زیر توجه  کرد :

1.  مصرف نیروی برق لوازم کمکی

2. سهولت پاک کردن دیگ

3. مقدار انتقال حرارت قطعات مختلف  دیگ

4. کیفیت آب تغذیه مورد نیاز

5. توانایی کارکنان عملیاتی موجود در کارخانه .

 انواع دیگهای موجود مورد نیاز صنایع از این قرار است :

1.  لوله آتشی    SHELL  TUBES

2.  ترکیبی ( ترکیب لوله  آتشی و لوله آبی )

3. دیگهای لوله- آبی

دیگهای لوله آبی :

دیگهای لوله آبی از نظر شیوه ساخت از این قرار است :

1) مونتاژ در کارخانه

2) مدولار (MODULAR ) ساخت قطعات یک پارچه و وصل آنها در محل

3) مونتاژ در محل

خصوصیات دیگهای بخار لوله آتشی و لوله آبی

 

لوله آتشی

لوله آبی

فشار

با آتشکاری عادی محدودبه 30-20 باردر دیگهای بزرگ با سئختهای ضایعاتی فشار بالاتر است

تقریبا نا محدود

ظرفیت

تقریبا محدود به MW  20

تقریبا نا محدود

سوخت مناسب

تمام سوخت های تجاری و بعضی ضایعات تصفیه شده

به علت بزرگ بودن کوره قابلیت تطابق با هر نوع سوختی را دارد

هزینه

در کاربریهای یکسان با لوله آبی ارزانتر است

در کاربردهای یکسان با لوله گرانتر است

نصب

یک پارچه است و پس از نصب به سرویسهای جانبی آماده کار می گردد .

قابلیت مونتاژ در محل کارخانه را دارد

بازده

85% - 80 بستگی به نوع سوخت

90%- 85 بستگی نوع سوخت

بازرسی

هر 14 ماه

هر 26 ماه

 

این دیگها از نوع تک مخزنی و یا چند مخزنی می باشند . انعطاف پذیری در طراحی دیگهای لوله آبی منجر به ساخت مخزنها وسطح حرارتی کتنوع در جهان شده است . در این قسمت به معرفی متداولترین آنها می پردازیم . امروزه بیشتر تولید کنندگان علاقمند به ساخت دیگهای دو مخزنی یا تک مخزنی می باشد .

دیگهای بخار چند مخزنی :

از دو یا چند مخزن به منظور قرار دادن دسته تیوبهای ایجاد شده به هم چسبیده و تشکیل ناحیه تبخیر کنوکسیون استفاده می شود . در این ناحیه سطوح حرارتی ایجاد شده باعث بازیافت بخشی از حرارت گازهای حاصل از احتراق می شوند . در ساخت این دیگها از شیوه اتصال انبساط لوله به مخزن EXPEND TUBE DRUM  استفاده شده است (مطابق شکل شماره 5 ) در این شیوه لوله از طریق سوراخی که قطرش کمی از قطر لوله زیادتر است وارد مخزن می شود . سپس با استفاده از غلتکهای داخلی ، قطر داخلی لوله  را گشادتر  می کنند . و بدین طریق لوله و مخزن به شیوه فلز به فلز به همدیگر فشرده (و آب بندی ) می شود . برای حصول اطمینان از محکم بودن لوله عمل انبساط لوله تا کاهش 5 تا 10 درصد ضخامت دیواره لوله ادامه پیدا می کند . دیگهایی که از این شیوه اتصال استفاده می کنند به علت اشکال آب بندی لوله های در فشار های بالاتر فشارشان زیر BAR 100 است .

در فشارهای بالاتر ، در سوراخ بدنه مخزن شیاری ایجاد می کنند . در نتیجه لوله هنگام منبسط شدن به داخل این شیار نیز کشیده می شود و مقاومت بیشتری در برابر نیروی کشش خارجی پیدا می کند سر انتهائی لوله ها را بنا بر طراحی دیگ و استاندارد های مربوطه گرد یا اریب می سازند .

در مواردی که بخار داغ سوپر هیت بادمای بالا و فشار زیاد مورد نیاز باشد دسته لوله های ناحیه کنوکسیون کارائی چندانی ندارد زیرا قسمت عمده حرارت گازها در داغ کننده های بخار جذب شده و گازهای خروجی این قسمت بادمای پائین به لوله های ناحیه کنوکسیون که به علت بالا بودن فشار وآب با دمای اشباع در آنها جریان دارد وارد می شود . عوامل فوق باعث می شود که در مقایسه با دیگهای با فشار پائین انتقال حرارت کمتری در این ناحیه صورت می گیرد . علاوه بر این در دیگهای با فشار بالا اغلب لازم می شود که به منظور تامین ضخامت لازم پیوسته دیگ بافاصله بین لوله ها را افزایش داده . این امر موجب می شود تعداد لوله ها و در نتیجه سرعت  گاز و سطوح انتقال حرارت کاهش یابد . در دیگ لوله آبی که دارای سوراخهای متعدد جهت لوله ها است مقدار تنش حلقه ای به این صورت محاسبه می گردد :

F= ( p* d) / [ 2t * (p-d) /p]                                                     

 که در آن :

p فشار طراحی شده دیگ

D قطر مخزن

p فاصله مرکز به مرکز لوله در طول مخزن

d قطر سوراخ در مخزن

(p-d)/p  ارتباط فلز موجود مخزن با تحمل تنش میان ردیف سوراخ لوله ها در طول مخزن ملاحظه می شود که با افزایش فشار p ، با فرض ثابت ماندن F ضخامت مخزن باید افزایش یابد مگر اینکه مقدار p-d یابد . بازده پیوندی را  می توان با افزایش گام لوله ها (p) یا کاهش قطر لوله ها (d) افزایش داد . در دیگهای فشار بسیار بالا اتصال لوله ها به مخزن توسط جوشکاری گلوییها قوی (STUB) به لوله ها و مخزن صورت می گیرد . تا جبران تمام یا قسمتی از فلز خارج شده ناشی از سوراخها بنماید . با این عمل چنانچه تمام اصول استانداردهای لازم رعایت شده باشد مقاومت پیوندی به 100% می رسد .

روشهای ساخت :

دیگهای لوله آبی بصورت

1-قابل حمل

2- مودولار

3- مونتاژ

1-دیگهای قابل حمل و مونتاژ در کارگاه  یا کارخانه :

تصور کلی از مونتاژ در کارگاه این است که تمام مراحل ساخت و مونتاژ تحت مراقبت کامل و در محلی انجام می گیرد که کلیه تسهیلات ساخت به آسانی در دسترس است . نیروی تخصصی مورد نیاز در محل نصب را می توان به حداقل رسانید و یا حتی حذف کرد و به حداقل نیروی کار محلی در نقاطی که مشکلات جوی و تسهیلات وجود دارد اکتفا نمود .

 

 

 

2-دیگهای مدولار MODULAR :

این دیگها در  ظرفیتهای مختلف وجود دارند . معنی مدولاربسیار گسترده است ولی معمولا بیانگر دستگاه ساخته شده ای متشکل از قطعات بسیار بزرگ از پیش مونتاژ شده (مدول ) می باشند . اندازه مدولار محدود به امکانات شرکت سازنده و محدودیتهای انتقال به محل است ( شکل شماره 8) ظرفیت تولیدی  این دیگها بستگی  به حداکثر اندازه ناحیه کنوکسیون قابل حمل دارد .

 

3-دیگهای مونتاژ در محل :

 این دیگها معمولا بسیار بزرگ هستند و نمی توان آنها را در کارگاه مونتاژ کرد و یا به علت محدودیتهای حمل و نقل و محدودیت در محل ، امکان ساخت آن وجود  ندارد . ساخت این دیگها معمولا مستلزم خدمات تخصصی در محل و در مواردی نظیر منبسط نمودن سر لوله ها یا جوشکاری قطعات تحت فشار می باشد .

 

 

 

ویژگیهای واحد تولید بخار :

هنگام تعیین ظرفیت و تعداد دیگهای یک واحد تولید بخار به منظور کاربرد خاص به عوامل زیر باید توجه نمود :

1- هزینه سرمایه گذاری

2- محدودیتهای طرح موجود

3- فشار بخار ، دمای بخار در صورت نیاز تثبیت آن در محدوده ای از تولید

4- ظرفیت لازم و مخصوصا حداقل و حداکثر ظرفیت ، نحوه بهره برداری کوتاه مدت و بلند مدت و یک شیفت دوشیفت یا سه شیفت ( یعنی چند ساعت کارکرد در روز )

5- ظرفیت ذخیره

6- نوع سوخت جامد یا مایع

7- خصوصیات سوخت ، خصوصیات خاکستر یا مواد غیر سوختی نوع وسیله آتشکاری موجود برای سوختهای مصرفی

8- محدودیتهای جا ( ممانعت های فضایی )

شرایط عملیاتی :

برای اینکه سازنده بتواند از میان دیگهای موجود خود ، دیگ خاص و مناسبی پیشنهاد کند بایستی تمام اطلاعات بالا را در اختیار داشته باشد . چون هزینه اولیه واحد از عوامل اصلی به شمار می رود برای به حداقل رساندن هزینه و انتخاب دیگ بخاری که ضمن پائین بودن قیمت آن تمام نیازهای واحد را برآورده سازد ، بایستی حداقل ظرفیت ذخیره را در نظر گرفت . در مواردی که از بخار جهت مصارف عملیاتی استفاده می شود ، بالاترین فشار دمای بخار مورد نیاز واحدهای عملیاتی ، از عوامل کنترل کننده شرایط بهره برداری از دیگ بخار محسوب می شوند . همچنین هنگامی که این بخار هم  در واحدهای عملیاتی و هم در نیروگاههای برق و یا فقط در نیروگاههای برق کاربرد داشته باشد ، نیازهای توربین بخار عوامل تعیین کننده شرایط کنترل دیگ بخار محسوب می شود . در مواردی که لازم باشد بین فشار بخار دمای بخار یکی انتخاب شود بهتر است از سازندگان خواسته شود محدودیتهای فشار هر یک از طرحهای موجود خود را مشخص سازند . زیرا ممکن است مشخصات بخار مورد نظر کمی زیادتر از نوع خاصی دیگ بخار واجبارا دیگ بخار بسیار گران تر و مازاد برنیاز خریداری شود .

در تعیین شاخصه های عملیاتی دیگ بخار ، بایستی افت فشار و دمای بخار در فاصله بین دیگ بخار ومحل مصرف را در نظر گرفت . کوتاهی در این مورد باعث می شود دستگاه مصرف کننده بخار کارائی طراحی شده خود را نداشته باشد . حتی در مواردی که نیاز به بخار فوق اشباع باشد خط لوله طولانی انتقال بخار منجر به رساندن بخار مرطوب به مصرف کننده خواهد شد . در چنین مواردی بهتر است بخار را در دیگ چند درجه ای داغ ( سوپر هیت ) نمود .

دمای نهایی بخار در دیگ های صنعتی مجهز به داغ کننده بخار کنوکسیونی با کم شدن بار دیگ کاهش می یابد ( منحنی a شکل 9 ) تثبیت دما در ظرفیتهای مختلف مستلزم قرار دادن داغ کننده بخار بزرگتر از نرمال برای تامین دما هنگام بارکامل دیگ است ( FULL LOAD) در این حالت هنگام پائین بودن بار دمای بخار افزایش می یابد که برای تنظیم آن باید بار دیگ را تغییر داد ( منحنی B  شکل 8 ) پس برای تامین دمای مورد نظر بخارمصرف کننده ها نیاز به وسیله ای جهت کنترل دما می باشد . ( منحنی C شکل 9 ) . کنترل دمای بخار به دو صورت تبادل حرارت تماس مستقیم و غیر مستقیم در ناحیه لوله های داغ کننده بخار درون لوله های بخار صورت می گیرد . این امر مستلزم داشتن حداقل دو ناحیه به نام داغ کننده بخار اولیه (با دمای پائین  و ثانویه (با دمای بالا) است که دارای انشعابات سرشاخه ای جهت اتصال به کنترل کننده دما باشند (منحنی D شکل 9 )دمای بخار را پس از خروج از ناحیه اول و منحنی e دمای بخار در ورودی ناحیه ثانویه را پس از عبور از کاهنده دمای بخار نشان می دهد . DE SUPER HEATER  در طراحی بعضی از دیگهای بخار جریان قسمتی از گازهای داغ کوره به ناحیه داغ کننده بخار را منحرف می نمایند و بدین طریق میزان انتقال حرارت و در نتیجه دمای بخار را کاهش می دهد . این نوع کنترل دما به علت مشکلات خوب بسته نشدن دروازه عبور گازها ، هنگام پائین بودن باردیگ که  نیاز به انحراف مسیر گازها نیست کارائی زیادی ندارند .

بدیهی است که اضافه نمودن داغ کننده بخار بزرگتر و کنترل کننده های دما منجر به بالا رفتن هزینه سرمایه گذاری می شوند . بنابراین تا جایی که ممکن است دمای ثابت استفاده  نمی شود . مگر اینکه کاربرد آن نظیر توربینهای بخار که در بالای c 400 کار می کنند . ضرورت داشته باشد . کنترل کننده های دمای بخار را به نام DE SUPER HEATERr  یا  Attemperator  می نامند .

تعداد و ظرفیت دیگ بخار :

در تعیین مشخصات دیگ بخار جهت طراحی آن شاید مشکلترین مورد ، تعیین تعداد و ظرفیت دیگها باشد . حداقل و حداکثر بخار مورد نیاز طی دوره ای کامل که ممکن است یک روز ، یک هفته و یا یک سال باشد ضرورت دارد . همچنین به دوره های پر مصرف آمادگی واحد  Plant Avalability  برنامه تعمیرات ، هزینه و انواع دیگهای موجود در بازار باید توجه شود . نحوه بهره برداری نیز ممکن است در مواردی نظیر واحد های عملیاتی ، در طول سال مداوم و پیوسته باشد . برنامه کلی توسعه واحد را نیز باید مد نظر داشت و نموداری از طرحهای بهره برداری پیش بینی شده تهیه نمود .

مهمترین نکته ای که باید من نظر داشت حداقل نیاز به دیگهای بخار ذخیره  Stand By  است طبق مقررات بیمه ، کلیه دیگها بنا  به سوختی که مصرف می کنند باید حداقل هر 14 تا 26 ماه یکبار جهت بازرسی بسته شوند .

در صورتیکه لازم است در طول سال همواره حداکثر ظرفیت دیگها در اختیار باشد وجود یک دیگ ذخیره کفایت می کنند . ولی چنانچه شرایط به نحوی است که امکان کوچکترین وقفه ای در کاهش باردیگها نیست ، داشتن دو دیگ بخار الزامی است تا در صورت از کار افتادن غیر منتظره یکی از دیگها با بسته بودن دیگری جهت امور تعمیراتی و بازرسی ، وقفه ای در تولید ایجاد نشود. در موارد فصلی بودن  بار دیگ نظیر گرم نمودن تاسیسات یا کارخانه هایی نظیر نیشکر که می توان واحد را برای مدتی  ( مثلا بیش از 20 هفته ) بست ، به شرط آنکه در حین بهره برداری نیاز به تعمیز نمودن دیگ نباشد ، داشتن دیگ ذخیره  لزومی ندارد حداقل ظرفیت بهره برداری از واحد دیگهای بخار نیز باید مورد توجه قرار گیرد زیرا بهره برداری کمتر از حد معمول از ظرفیتهای موجود برای مدتی طولانی کنترل خودکار دیگ بخار را غیر ممکن و عملیات را غیر اقتصادی می نماید . به طور کلی بهره برداری طولانی کمتر از MCR 20%  منطقی نمی باشد .

ضمنا در بهره برداری طولانی کمتر از 20 % Mcr  بعلت پائین بودن سرعت چرخش آب در دیگ بخار ، امکان تشکیل رسوبات در نقاط پائین دیگ بخار زیاد شده و مشکلات عدیده ای جهت بهره برداری ایجاد می کنند .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          boiler efficiency          

در این قسمت قصد داریم به فرآیند سوختن و بازده بویلر پرداخته شود . آسانترین تعبیری که برای بازده بویلر می  توان به کار برد نسبت انرژِی خروجی از سیستم به انرژی داده شده به سیستم می باشد که مطابق رابطه زیر بیان می گردد .

                                                

Heat exported in steam :                                                                  

 با توجه به جداول ترمودینامیکی بخار ، موارد زیر استخراج می گردد .

1-  دمای آب  ورودی به سیستم

2- فشار بخار کارکرد سیستم

3- میزان جریان جرمی بخار آب

Heat provided by the fuel :

1. GCV           2 NCV

این قسمت  از دو راه قابل قسمت می باشد .

1. Gross calorific value ( G.C.V)

تمام انرژِی سوخت بصورت تئوری را  gross calorific value  گویند . همانطوریکه می دانیم کلیه سوخت های هیدروکربن شامل هیدروژن    ( H2) می باشند که پس از احتراق با اکسیژن بصورت بخار آب از دودکش ( stack) خارج می شود .

G.C.V محاسبه شده شامل انرژی که صرف تبخیر آب می شود نیز می گردد . بعلت اینکه گاز سمی حاصل از احتراق در کوره ها ، قابلیت کندانس شدن را ندارد از اینرو مقدار واقعی انرژی تولیدی در بویلر که صرف تبخیر آن می شود کاهش می یابد . از طرفی مقدار لازم هوای مصرفی بویلر نیز در بازده بویلر موثر است زیرا :

1- هوای اضافی زیادتر  از حد مورد نیاز جهت احتراق باعث سرد شدن کوره و خروج از سیستم می شود .

2- هوای کمتر از حد مورد نیاز باعث سوخت ناقص و دود کردن آن می شود .

 

2.net    calorific value    ( N.C.V)

 محاسبه سوخت بدون در نظر گرفتن انرژِی تبخیر بخار آب در دودکش می باشد .

                           HEAT AIR سوخت        فرآیند احتراق

CO2 +H2O + N2

                

O2 +N2

C+H

        COMBUSTION                                 +

 

                                           Where :

C= Carbon

H= Hydrogen

 O = oxygen

N = Nitrogen

 دقت در میزان هوای لازم در بازده بویلر به نحوه چشمگیری موثر است زیرا :

1- هوای زیاد باعث سرد شدن کوره و خارج شدن حرارت از کوره می شود .

2- هوای کم باعث  سوخت ناقص و دود کردن ( تولید c ) کوره می شود .

3- ترکیب گازهای حاصل از احتراق ،مواد سوختنی ، اکسیژن در اطراف مشعل ها به هم خورده و باعث عدم اختلاط صحیح مواد سوختنی و اکسیژن هوا می گردد .

4- مولکولهای اکسیژن با ازت واکنش داده تولید NOX می نماید .

برای مطمئن شدن از احتراق کامل می بایست مقداری اکسیژن اضافی در نظر گرفت تا در اثر احتراق کامل بازده بویلر ها بیشترین مقدار ممکنه و نزدیک به طراحی بویلر باشد .

کنترل Air / Fuel در بسیاری از بویلر ها بصورت  close loop   می باشد بدین صورت که میزان اکسیژن اضافی در گازهای خروجی از  StAck بررسی مقدار بهینه تنظیم شده و هوای ورودی به قسمتی وارد بویلر می شود که بهینه ترین میزان هوای اضافی وارد کوره شود . لازم به ذکر است که این سیستم کنترلی نیاز به کالیبراسیون و چک دائمی دارد .

مقررات مربوط به شرایط عملکرد دیگ بخار :

1-کاهش انتشار گازهای حاصل از احتراق که برای محیط زیست مضر  می باشند .

2- گاز CO2  حاصل از احتراق حدود 80%  می باشد . 

3-  کاهش مصرف سالانه سوخت ، که می توان بدین منظور از سوخت های با ارزش حرارتی بالاتر استفاده کرد .

تکنولوژِی :

جهت احتراق یک دیگ بخار ، میزان آلودگی ، صرفه اقتصادی و میزان انرژِی که می بایست بوسیله بویلر تولید شود را در نظر می گیرند . که شامل طراحی محفظه احتراق  combustion chamber  و مشعل ها می شود . بویلر های مدرن و دارای مشعل های با تکنولوژِ بالا می بایست شرایط ذیل را داشته باشند .

1- مطمئن شدن از کیفیت احتراق و گازهای حاصل از احتراق و در صورت لزوم بازگرداندن آن جهت بهترین حالت احتراق و کمترین میزان هوای اضافی مصرفی .

2- استفاده از سیستم الکترونیکی پیرفته که بوسیله آن بتوان آنالیز گازهای حاصل از احتراق و عناصر تشکیل دهنده آنرا مشاهده  و کنترل نمود .

3- کنترل  Turn down ratio  در بالاترین میزان خود . ( نسبت بین بیشترین و کمترین میزان  سوخت مصرفی ) که با عث می شود بازده بویلر در حد بالای خود کنترل گردد .

 اتلاف حرارت                                                              Heat losses

همانطوریکه در مورد احتراق در کوره صحبت شد و همچنین راجع به تنظیم نسبت هوا به سوخت شرح داده شده لازم است تا در زمینه اتلاف حرارت در کوره و اهمیت آن در کاهش بازده کوره بحث شود .اتلاف حرارت بوسیله گازهای خروجی حاصل از احتراق  Heat Loses in the flue gas   یکی از عوامل اتلاف حرارت می باشد که مهندسان می بایست در کاهش آن کوشا می باشند تا بازده بویلر کاهش نیابد . دمای گازهای حاصل از احتراق می تواند به یک یا دو علت اساسی بالا باشد :

1- تولید حرارت از مشعل ها بیشتر از حد مورد نیاز جهت تنظیم تولید بخار است .

این بدان معنی است که مکانیزم تنظیم هوای برنرها و سوخت نیاز به کالیبراسیون مجدد دارد .

2- سطح انتقال حرارت به درستی انتقال حرارت به آب را انجام نمی دهد .

این بدان معنی است که سطح انتقال حرارت تمیز نیست و به تمیز کاری نیاز دارد .

بطور کلی می بایست دمای گازهای خروجی از کوره ( Flue gas ) می بایست به درستی تنظیم شود زیرا در صورتیکه دمای گازهای خروجی از حد مجاز آن کمتر باشد امکان تشکیل نقطه شبنم می رود که باعث ایجاد خوردگی به علت های ذیل می گردد :

1- نیتریک اسید ( از نیتروژن هوا )

2-سولفوریک اسید ( اگر سوخت حاوی گوگرد باشد )

3-آب

 

اتلاف حرارت تشعشعی                                           Radiation Losses :

 این اتلاف بدین  علت صورت می پذیرد که بویلر از محیط اطرافش گرم تر است . در صورتیکه عایق کاری مناسب انجام نشده باشد این اتلاف انرژِی بیشتر نمود پیدا می کند .در حالت نرمال اگر عایق کاری مناسب برای یک بویلر صورت گرفته باشد تنها %0.5 ~ 0.3 انرژِی آن به بیرون منتشر می شود .ممکن است که این مقادیر زیاد به نظر نرسد اما به خاطر داشته باشید که این مقادیر مربوط به بویلر با تولید بالا می باشد و این مقادیر ثابت می باشد و مقرون به صرفه تر است که بویلر با  Loud  بالا کار کند تا این اتلاف انرژِی در مجموع کمتر بوده و بازده بویلر بالاتر باشد . 

  انتقال حرارت 

جریان  انرژِی ناشی از اختلاف دما سالیان متمادی از موضوعات تحقیقاتی بوده است که جزئیهات آن را می توان با مطالعه موضوعات مربوطه کسب نمود . مک آدامز و کرن از مراجعی هستند که در مورد تئوری و کاربری اصول انتقال حرارت شهرت دارند . با مراجعه به این منابع مشخص می گردد که انتقال جرارت موضوعی تقریبی و پیچیده است که با به کارگیری ضرایب مختلف در هر مورد خاص با اختلاف نظرهایی همراه بوده است . مهندسین در طراحی دستگاههای انتقال حرارت ضمن به کاربردن اصول اساسی به تعدیل آنها در ساخت محصولات مورد نظر می پردازند و از نتایج آزمایشگاهی یا نتایج عملی دستگاههای مشابه طی سالیان دراز بهره می برند . در این فصل به طور خلاصه موضوع بررسی می گردد و به ارائه عوامل طراحی و کارایی دیگهای بخار پرداخته می شود .

 انتقال حرارت توسط مکانیزمهای تشعشع ، هدایت و جابجایی انجام می گیرد که در بیشترین موارد ترکیبی از هر سه مکانیزم دخالت دارد . دیگها ، که وظیفه اصلی آنها انتقال حرارت آزاد شده احتراق سوخت به منظور ایجاد آب گرم یا بخار است از کلیه جهات انتقال حرارت استفاده می کنند .

هنگام انتقال حرارت به آب باید حداقل مقاومت در برابر  انتقال حرارت وجود داشته باشد تا نیاز به سطح انتقال کمتر و در نتیجه هزینه کمتری باشد در صورتی که برای کاهش اتلاف حرارتی از دیگ به اتمسفر نیاز به  ایجاد حداکثر مقاومت در مقابل انتقال حرارت است .

 

تشعشع 

انتقال حرارت از طریق تشعشع بر اثر انتقال انرژِی در فضا و به شکل امواج الکترومغناطیس که از نظر طول موج و فرکانس با امواج نوری متفاوت است صورت می گیرد . چون انرژِی تشعشعی به خط مستقیم و با سرعت نور حرکت می کند و مانند نور جذب می شود ، منعکس می شود وتوسط سطوح گیرنده انرژِی ، منعکس می گردد ، قوانین فیزیک نور در ارتباط با انتقال انرژِ ی تشعشعی حایز اهمیت است . نمونه بارز تشعشع ، انتقال حرارت خورشید به زمین است .

انتقال حرارت تابشی می تواند به صورت گداخته فروزنده یا تاریک یعنی شعله ای مشهود یا منبع حرارتی داغ نظیر رنگ قرمز یا قرمز سفید یک آجر از نوع فروزنده باشد ، ولی حرارت توده ای از گازهای داغ که فاقد شعله ظاهری است از نوع تشعشع تاریک است . تنها ترکیبات محصولات احتراق سوختیهای معمولی که مقدار قابل ملاحظه ای تشعشع تاریک دارند دی اکسید کربن بخار آب هستند که شامل دو یا چند اتم مختلف هستند .

کربن ذرات خاکستر نیز اهمیت زیادی دارند . انتقال حرارت ناشی از احتراق سوخت در محفظه احتراق دیگ بخار تقریبا به طور  کامل توسط تشعشع فروزنده توام با کمی انتقال حرارت کنوکسیونی صورت می  گیرد . این نسبت بستگی به طراحی دیگ ، نوع آتشکاری و اثرات آنها بر  سرعت جریان گازها از روی سطوح گرم دارد .

یکی از فرمولهایی که انتقال حرارت تشعشعی را بیان می کند فرمول استفن بولتز من می باشد :

Q =o AE[ (T g)4 -) Tw)4]                                                   [1-5]

 که در آن : انتقال حرارت خالص توسط تشعشع                     Q

حدود ثابت استفن بولتز من      o                                                

سطح موثر گرما دهنده ناحیه شعله و اطراف آن                       A

منتجه انتشار شعله و سطح جذب کنندهE                                

دمای مطلق شعله                                                         Tg

دمای مطلق سطح سرد Tw                                                   

 معادله  5-1 بر اساس این تئوری قرار گرفته که حرارت از ناحیه شعله به نسبت سطح و تشعشع به نسبت سطح و تشعشع آن ناحیه و توان چهارم دمای مطلق آن صورت گرفته و اینکه بخشی از این حرارت توسط سطح سرد جذب و بخشی مجددا به نسبت سطح قدرت تابش توان چهارم دمای مطلق این سطح منعکس می گردد . اختلاف حرارت  Q نشان دهنده حرارت خالص تبادل شده  بین این دو سطح است . سطح موثر ناحیه شعله بستگی به سوخت و نوع آتشکاری دارد . ( مثلا اختلاف بین دیگهای با مشعل تانژانی مستقر در چهار گوشه دیگ و مشعلهای  معمولی مستقر در یک سمت دیگ ) . عوامل دیگری نظیر محدوده تغییرات حرارت داده شده و بار دیگ یعنی حررات داده شده بر واحد یا مساحت سطح بر سطح موثر شعله تاثیر می گذارند .

انتشار شعله بستگی  به عوامل زیادی دارد نظیر فروزندگی ، اجزا تابنده غیر شفاف ، حجم و دمای شعله دارد . دمای ناحیه شعله در کوره های با دیواره های لوله آبی خنک می شوند ، ثابت و یکنواخت نمی ماند زیرا به مجرد آزاد شدن حرارت بخش عظیمی از آن حدود 50% - 30 حرارت کلی داده شده جذب لوله های آب می گردد . خصوصیات احتراق وسایل مختلف آتشکاری نیز متفاوت است . بعضی ایجاد شعله ای کوتاه ، متلاطم  و شدید و بعضی دیگر تولید شعله ای بلند ، لخت و پر حجم می نمایند که تغییرات سرعت و پخش هوا در شعله های نفت و گاز عامل اینگونه تحولات به شمار می رود . کارآیی سطوح لوله ای زیر عایقها و شیوه آتشکاری دارد . با پیدایش دیواره های لوله ای تمام جوش ( شکل 5-1 /ج ) سطح فلزی دیوار مقابل شعله نظیر لوله های مقابل شعله در کوره های لوله آتشی حدود 100% کارآیی دارد .

در هر کوره سطوح سرد یا سطوح گیرنده حرارت ، ثابت است ولی کارایی آن با تجمع رسوبات و گدازه ها تغییر می کند که این تغییرات طی کارکرد طولانی کوره پیش می آید و بر کارآیی کلی تاثیر می گذارد . معمولا دمای لوله های تمیز سطوح سرد با تقریب ناچیزی ، همانند دمای آب درون لوله ها است . تجمع گدازه ها نه تنها بر مساحت بلکه بر دمای سطوح گیرنده حرارت نیز تاثیر می گذارند . جهت برآورد عملکرد دیگ مهندس طراح نیازمند اطلاعات دقیقی از دمای گازهای خروجی از کوره و شار حرارتی ، یعنی میزان انتقال حرارت به دیواره های کوره است . دمای گازهای خروجی به منظور طراحی سطوح حرارتی کنوکسیونی مخصوصا ناحیه داغ کننده های بخار چنانچه وجود داشته باشند است شار حرارتی به دیواره ها نیز جهت طراحی مکانیکی تیوپها و دیواره ها و نیز طراحی سیستم چرخشی آب در مورد دیگهای لوله آبی ضرورت دارد . هنگامی در نهایت دقت محاسبه شود تا بتوان سطح حرارتی لازم و نیز حداکثر دمای فلز لوله های داغ کننده بخار را در زمان بهره برداری تعیین نمود .

با توجه به عوامل فوق مشخص می شود  که مهندس طراح با همه دقتی که بعمل می آورد قادر به حل مسایل به صورت صد درصد تئوری نیست . محاسبات تئوری باید با اطلاعات تجربی و نظری به دست آمده طرحها و شرایط عملیاتی مشابه در آمیزد تا عوامل تشکیل دهنده 0 و E در معادله (5-1 ) معلوم شود . این امر با اندازه گیری دمای گازهای خروجی کوره  - که به نوبه خود به علت بی نظمی جریان و دما متشکل  است امکان پذیر می گردد اندازه گیری های منطقه ای شار حرارتی را نیز می توان انجام داد ، اما قبلا باید تمهیداتی جهت قرار دادن لوله های باریک سنجش و آب بندی کامل آنها در دیواره کوره به عمل آمده باشد .

استفاده از معادله (5-1 ) در محاسبات کارآیی مفید دیگ و تراز حرارتی کوره به ایم صورت است :

حرارت موجود در گازهای خروجی + حرارت جذب شده توسط تشعشع = حرارت داده شده (خالص )

 H = 0 A E(Tg4 – T w4 ) + Mste                                 (2-5)

که در آن :

حرارت ( خالص ) داده شده به کوره                     H

جریان جرمی گاز ها                                           M

گرمای ویژه گازها در دمای                                 S

دمای بالاتر از دمای متعارف گازهای خروجی از کوره te

سایر علایم در معادله (5-1)  ذکر شده اند . (همه واحد ها در سیستم اندازه گیری یکسان ).

حل این معادله به کمک روشهای گرافیکی یا توسط برنامه های رایانه ای آسان می گردد .A)) کوره با حرارت داده شده مشخص باعث افزایش حرارت جذب شده و در نتکاهش دمای گازهای خروجی از کوره خواهد شد . بنابراین با تغییر A در مرحله طراحی می توان به مقدار مطلوب te  در ورودی کنوکسیون رسید . در این معادله ارزش موثر  E سوخت مورد مصرف در دیگ نیز مشخص می گردد  که تفاوت فاحشی بین سوخت و گاز خواهد بود گرچه افزایش سطح A باعث افزایش حرارت جذب شده تشعشع می شود ولی مقدارte  کمتر خواهد شد و بنابراین میانگین شار حرارتی نیز کاهش خواهد یافت . جهت حرارت منتقل شده توسط تشعشع غیر شفاف از معادله (5-1 ) و مقدار E  که بستگی به فشار جزیی اجراء گازهای تابشی و ابعاد محفظه احتراق دارد استفاده می شود . در داخل یک بسته لوله قطر لوله ها و ترتیب قرار گرفتن آنها نقش  کنترل کننده دارد .

طبیعی است که با عبور گازهای داغ از داخل دیگ این گازها  سرد می شوند و مقادیر Tg) ) و حرارت منتقل شده تابشی نیز کاهش می یابند . در ناحیه لوله های پیش گرمکن آب تغذیه ( اکونومایزر ) و گرم کننده های هوا مقایسه با ناحیه کنوکسیون این تقلیل دما ناچیز است

هدایت

انتقال حرارت از طریق هدایت از میان یک جسم ناشی از انتقال ناشی از انتقال انرژِی بین مولکولهای آن جسم بر اثر برخورد ملکولی می باشد . دمای بالا نشان دهنده انرژی ملکولی زیاد است که به نواحی کم انرژِ  ی یعنی نواحی سرد منتقل می شود . در موارد غیر شفاف انتقال حرارت فقط توسط هدایت صورت می گیرد . در حالیکه در مایعات و گازها بر اثر جریانات طبیعی کنوکسیون درون سیال ، انتقال حرارت با جابجایی نیز می باشد . فرمول اساسی  انتقال حرارت توسط هدایت از میان یک دیوار جامد و تخت به کمک قانون فوریه و با مراجعه به شکل 5-2 به این صورت است :

                           (3-5)                                                    Q = (KA/X ) (t1 – t2)

 که در آن :

مقدار حرارت منتقل شده                                                Q

مساحت سطح انتقال حرارت در صفحه ای عمود بر جهت        A

جریان که این مقدار  Q حرارت از آن عبور می کند

ضخامت دیوار در جهت گرما                                            X

هدایت گرمایی ماده تشکیل دهنده دیوار                             K

دمای رویه داغ دیوار                                                  t1

دوای رویه سرد دیوار                                                 t2

( همه واحد ها در سیستم یکسان )

 از سه روش انتقال گرما محاسبات انتقال به شیوه هدایت ساده ترین روشها و از نظر  ریاضی دقیق ترین تنیجه را به دست می دهد زیرا فقط خاصیت فیزیکی جسم یعنی هدایت گرمایی آن مطرح می شود . که با دقت بالایی قابل اندازه گیری برای اجسام مختلف می باشد . مقادیر K را می توان از جداول خصوصیات فیزیکی در مرجعهای مختلف یافت .

انتقال حرارت به طریق هدایت در دیگ بخار از میان مواد نسوز به کار رفته در محفظه دیگ ، جدار لوله های تشکیل دهنده سطوح انتقال حرارت و هر گونه  رسوب یا پوسته ای که بر این سطوح بنشیند صورت می گیرد . در محاسبه هدایت در یک دیوار استوانه ای شکل سطحی که در آن انتقال حرارت صورت می گیرد . در محاسبه هدایت در یک دیوار استوانه ای شکل که در آن انتقال حرارت صورت می گیرد مرتبا در حال تغییر است زیرا شعاع استوانه  تغییر می کند . به کمک اعمال انتگرالی نشان داده می شود که معادله انتقال حرارت در هدایت به این شکل است .

Q= ( KA ( t1 – t2 )/(loge(d0/d1))

هدایت گرمایی دیوار                                              K                                                      

مساحت سطح گیرنده حرارت                                            A

دمای رویه داخلی استوانه با قطر داخلی d1             t1  

دمای رویه خارجی استوانه با قطر خارجی d0           t2

این فرمول برای محاسبه انتقال حرارت از میان لوله های استوانه ای با دیوار ضخیم مانند لوله های عایقکاری شده به کار می رود . برای لوله های نازکتر که با ابعاد معمولی به کار رفته در دیگهای بخار است ، معادله (5-3 ) با دقت قابل قبول به کار می رود .

کنوکسیون (جابجایی )

 این شیوه انتقال حرارت بین یک سطح و یک سیال وقتی صورت می گیرد که سیال بر روی سطح در حرکت و دایما در حال اختلاط و در نتیجه دمای نسبتا یکنواختی در مسیر جریان سیال ایجاد می کند ( جریان متلاطم ) ولی همواره قشر نازکی از سیال با جریان خطی در سطح ساکن وجود دارد که در آن حرارت به طریقه هدایت به جریان اصلی و متلاطم منتقل می شود . شیب حرارتی قابل ملاحظه ای بین جریان اصلی سیال و سطح ساکن وجود دارد که در شکل 5-3 نشان داده شده است . بنابراین در واقع انتقال حرارت کنوکسیونی ترکیبی از هدایت و جابجایی می باشد .

 

 

جریانات متلاطم در اعداد بالای 2000 رینولدز بوجود می آیند . عدد رینولدز یکی از ضرایبی است که در  تئوری جریان سیالات و انتقال حرارت کاربرد دارد  عدد رینولدز را معمولا با Re نشان می دهند و مقدار آن برابر است با :

که در آن : 

         Re = dG/u                         

مشخصه ابعادی سطح انتقال حرارت مانند قطر لوله                           d

مقدار جریان اصلی سیال که از سطح انتقال حرارت عبور می کند            G

( بر حسب جرم کلی در مساحت سطح مقطعی که سیال در واحد زمان از آن می گذرد )

غلظت دینامیکی سیال در دمای خودش در ناحیه انتقال حرارت              u

چون انتقال حرارت کنوکسیونی در سیالهای جاری انجام می شود قوانین انتقال حرارت کنوکسیونی در ارتباط نزدیک قوانین جریان سیالات است . اگر جریان سیال بر اثر تغییر چگالی سیال و ناشی از انتقال حرارت آن ( یا از آن ) باشد آن را کنوکسیون طبیعی می نامند . نمونه ای از این مورد انتقال حرارت از رادیاتور های گرمایشی مرکزی به اتمسفر است چنانچه دمنده یا تلمبه ای جهت ایجاد جریان سیال به کار گرفته شود گفته می شود که کنوکسیون اجباری صورت گرفته است .

در کنوکسیون طبیعی که در سرعتهای کم سیال و تحت شرایطی که تعیین سرعت سیال عملی نیست تعیین ضرایب انتقال حرارت به طور تئوری مشکل است . خوشبختانه در بیشتر موارد در دیگهای بخار انتقال حرارت به صورت کنوکسیون اجباری صورت می گیرد و شرایط دیگ بخار به نحوی است که اختلاط کامل انجام می گیرد و عدد رینولدز بالای 2000 است فرمول اساسی  موسوم به نیوتن در مورد انتقال حرارت کنوکسیونی از سیال گرم جاری و متلاطم به جدار ثابت و سرد از این قرار است :

Q= h A ( tb  - tw)

 که در آن :

حرارت منتقل شده                                                Q

مساحت انتقال حرارت عمود بر جهت جریان                    A    

حرارت که مقدار Q حرارت از آن عبور می کند .

دمای جریان اصلی سیال                                           tb

دمای دیوار                                                            tw

ضریب انتقال حرارت کنوکسیونی (ضریب فیلمی )               h                  

(تمام واحد ها در سیستم یکسان)

فرمول متداولی که جامع متغیر های گوناگون موثر بر انتقال حرارت کنوکسیون اجباری است در زیر آمده است . در این فرمول جریان متلاطم از سیال به دیوار لوله است و به کمک آن می توان ضریب انتقال حرارت را تعیین کرد .

( عدد پرانت )   ( عدد رینولدر ) a = عدد نوسلت

            (7-5)                    Hd/K = a ( dG/u) (Cpu/K)

که در آن :

ضریب انتقال حرارت کنوکسیونی   h                          

هدایت گرمای سیال                                         K

گرمای ویژه سیال                                           Cp

ثابتهای تجربی a, m. N.                                          

در معادله (5-5) تعریف شده اند d, G, u                      

(تماما واحد ها در یک سیستم  یکسان )

کوششهای زیادی جهت تعیین مقادیر a, m, n  و نیز دمایی که باید برای خصوصیات فیزیکی  K , u, ,Cp  نظیر گرفت به عمل آمده است ( این دما ، دمای کل جریان یا دمای فیلمی است ) .

مقادیر ویژه اعداد ثابت و متغیر های فرمول(7-5) به کمک منابع مختلف جهت اشکال مختلف جریان مانند جریان در درون لوله ها ، جریان حلقوی ، جریانهای محوری خارج لوله ها ، جریان در خارج لوله ها و جریان بر روی صفحات صاف . دو جریان در دیگهای بخار یعنی جریان در لوله ها و جریانهای عمود بر مسیر لوله متقاطع به این صورت محاسبه می شود :

جریان درون لوله:  Hd / K = 0.023 (dG/u) (Cp u / K )   (8-5)

 جریان در لوله های متقاطع :    Hd / K = 0.33 (dG /u)   (Cp u /K )     (9-5)

 معادله (5-8) یک فرمول اساسی است ، ولی کاربرد آن عوامل دیگری نظیر اثر مضاعف تشعشع گاز را باید در  نظر گرفت  . رو در یک ، موری و وال نتایج بررسیهای گسترده خود را در انتقال حرارات درون دیگهای لوله آتشی به صورت نموداری منتشر کرده اند که محاسبات این انتقال حرارت را درون لوله ها آسان می سازد . در فصل 12 نمونه های عددی این روش ذکر شده است .

برای جریان سیال در صفحات لوله ای ، معادله (5-9 ) مقادیر مختلفی از a, m توسط گری میسون داده شده است . کاربرد این مقادیر در نتایج تجربی ، اختلافات فاحشی را نشان می دهد . که لزوم توجه مهندسین طراح دیگهای بخار را به پیشنهادات اصلاحی وارده از صاحبان دیگهای مشابه را ایجاب می کند . در دیگهای بخار حرارت با عبور از سطح لوله ها از طریق جابجایی به دیوار لوله ها می رسد که پس از گرم شدن این دیوار به آب جاری درون لوله ها منتقل می گردد . در این مورد مهندسین طراح با انتخاب ترتیب قرار گرفتن سطوح حرارتی می تواند سرعت جرمی گاز G و اندازه g  را تغییر دهد . با ثابت بودن سایر عوامل میزان انتقال حرارت در لایه مرزی یا ضریب فیلمی الزاما ضریبی از سزرعت جرمی است به طوریکه افزایش آن به دو برابر باعث افزایش ضریب فیلمی و در نتیجه کاهش انتقال حرارت لازم به مقدار حدود 20% خواهد شد . قابل ذکر است که افزایش دو برابری سرعت باید باعث افزایش 4 برابری افت فشار در سطوح انتقال حرارت می گردد برای جبران آن باید به همان نسبت نیرو را افزایش داد . افزایش بی رویه سرعت گاز در لوله ها باعث مشکلات لرزشی در این قسمتها می شود .

به کمک معادله (5-8 ) و (5-9 ) مشخص می گردد که در یک سرعت معین ضریب انتقال با کاهش حرارت قطر لوله ها افزایش می یابد . به طور مثال جریان در داخل لوله ها به کمک معادله (5-8) به این صورت است :

                                                                                                                                 (1/d )  H

 که وقتی :

 d= 76 mm  h  0.42

d= 50mm       h 0.46

 جریان در روی لوله ها به کمک معادله (5-9 )  به این صورت است :

                                                                                                    (1/d)  H

D=76 mm     h 0.177

D=50mm         h 0.21

 انتخاب قطر لوله  و گامهای به کار رفته در دیگهای محدود به عوامل مختلفی نظیر موارد زیر است :

1-دیگهای لوله آتشی

لوله ها با عبور دهنده گاز در این دیگها باید دارای قطر کافی جهت جلوگیری از انسداد آنها توسط رسوبات خاکستری باشند و نیز تعداد و قطر لوله ها باید طوری انتخاب شوند که سرعت گاز در درون آنها باعث سایش توسط ذرات بهمراه گاز نگردد . کمترین فاصله گام در BS 2790 , BS 855  شرح داده شده است . این گامها  بر اساس حداقل فاصله (مقدار فلز ) بین  SEAT  لوله ها در صفحه فلز در نظر گرفته شده است . این فاصله جهت قرار دادن لوله ها و محکم کردن آن طبق روشهای مصوب ضروری است رعایت  حداقل فاصله ها خللی در جریان آب روی لوله ها و انتقال حرارت ایجاد نمی کند .

اندازه گامها بر دمای گامها بر دمای فلز درون  SEAT ها اثر می گذارد به طوریکه گامهای نزدیک به هم باعث افزایش این دما می گردد

2-دیگهای لوله- آبی

در این دیگها نیز قطر لوله ها باید چرخش کافی آب و استحکام مکانیکی لازم را فراهم نماید . لوله های داغ کننده بخار نیز باید جواب گوی افت فشار داخلی لوله  ، توزیع بخار و دمای فلز باشد . گام لوله ها نیز باید به حدی باشد که از تلمبار شدن رسوبات و کیپ شدن فضای عبور گاز جلوگیری کند

آرایش  بهینه لوله های دیگ در وضعیتی خاص از قرار گرفتن آنها و در سرعت معینی از گازهای کوره حاصل می گردد . و این وظیفه مهندس طراح است که موازنه ای اقتصادی بین هزینه سطوح حرارتی نیروی لازم جهت دمنده ها با توجه به محدودیتهای ناشی از خصوصیات سوخت و شکل کلی دیگ ، به عمل آورد . تعیین سرعت متوسط گازهای کوره در عبور از داخل لوله ها نظیر دیگهای لوله آتشی نسبتا به طور دقیق انجام پذیر است ولی بسیاری از دیگهای صنعتی لوله- آبی دو مخزنی هستند (شکل 5-4  که در آنها مسیرعبور گاز ها با ایجاد دیواره هایی در دسته لوله ها صورت می گیرد . در اینگونه موارد ممکن است عبور گازها عمود بر لوله ها نباشد و در بعضی نقاط نیز تغییراتی در جهت عبور گازها پیش آید به همین ترتیب پیش بینی دقیق بازدهی سطوح حرارتی نیز آسان نیست .

یبنابراین طراحی چنین دیگهای وابسته به اطلاعات بدست آمده از کارآییی سایر دیگها در تهیه  ضرایب مناسب و کسب نتایج قابل قبول می باشد .

5-4     کاربرد فرمولهای انتقال  حرارت در طراحی دیگ

در شکل 5-5 فرض براین است که دیواری مسطح شامل سه لایه از مواد جامد است که حرارت با عبور از آنها از منبع گرم با دمای tg از یک طرف دیوار به سیال با دمای tw در طرف دیگر منتقل می شود . این ترکیب می تواند نماینده دیواره دیگ بخار شامل سه لایه از مواد عایق و یا دیواره لوله ای شامل لایه رسوبی در سمت گازهای داغ و لایه رسوبی دیگری در سمت آب با دمای پائین باشد .

سه لایه a, b, c  دارای ضخامتهای Xb , Xa , Xc  با ضرایب گرمایی  Kc , Ka, Kb  می باشند . دمای سطحی سه لایه نیز t4 , t2 , t3  می باشد ضرایب انتقال حرارت از سیال داغ به سطح دیوار hg و از سطح سرد به سیال سرد hw می باشد .

جریان گرما Q  از مسیری با سطح A از دیوار با معادله های زیر نشان داده می شود :

Q= Ahg (tg – t1)

 =Aha (t1-t2) = A  ka/xa (t1-t2)

 =A hb (t2-t3) =A   kb/xb (t3-t4)

=A     hw ( t4-tw)

در دیگهای بخار می توان از این معادله ها برای تعیین ضخامت مواد a,b,c برای به دست آوردن مقدار Q  اتلاف حرارت مطلوب به اتمسفر یا دمای مورد نظر در سطح سرد t4 در خارج دیک استفاده کرد دماهای t1,t2,t3 نباید  به ترتیب از حداکثر دمای مواد  c,a,b هنگام کار دیگ تجاوز نماید . معمولا انتقال حرارت به سطوح داغ در دیگها شامل اجزا تابشی یعنی  سطوح تابنده ف غیر تابنده وسطوح کنوکسیونی می باشد .

بنابراین :

Hg = h  بشیتا + h کنوکسیون = hr + hc

برای به دست آوردن این مجموع و پیداکردن مقدار hg باید همه آنها دارای یک واحد و در ارتباط با یک سطح و یک اختلاف دما باشند . ضریب  h مربوط به اجزاء تابش را می توان با معادله زیر به دست آورد:

                           تابش = hr A (tg – t1)

بنابراین :

در استفاده از محاسبات انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی و به خصوص در دیگها بهتر است از ضرایب کلی انتقال حرارت که ترکیبی از اثرات رسوبات ( ته نشستها و رسوبات پوسته ای ) و ضخامت لوله است . و شامل یک عدد است استفاده کرد . این امر فرمول انتقال حرارت را به صورت زیر در می آورد :

که در آن u ضریب کلی انتقال حرارت است             Q = UA(tg –tw )  

اختلاف  دمای کلی که مجموع اختلاف دماها از میان لایه های (tg - tw)

 داخلی و خارجی و لایه های دیوار است .

از آنچه گذشت ، فرمول به این صورت بسط داده می شود .

 با ضرب دو طرف معادله در A/Q  رابطه فوق به این صورت در می آید :

که از آن ضرب کلی انتقال حرارت U  به دست می آید .

بعضی اوقات معکوس ضریب انتقال حرارت هدایت X/K را به نام مقاومت ویژه جسم می نامند . که در مورد رسوبهای پوسته ای مقدار X/K در دسترس می باشد . ولی برای تعیین t2,t3 جهت تعیین نوع و ضخامت لوله ها طبق کدهای طراحی دیگ باید از ضرایب تک تک مواد استفاده کرد .

در تمام مثالهای بالا فرض بر این بود که انتقال حرارت از میان دیواره صاف انجام  می شود . اکثر سطوح حرارتی دیگهای استوانه ای شکل هستند و بنابراین مساحت سطحی که مقدار معینی حرارت Q از سمت داخل لوله عبور می کند کمتر از این مقدار در سطح بیرونی لوله است( شکل 5-6)

قبل از محاسبه ضرایب کلی به کمک ضرایب تک تک  لایه ها به کمک معادله (5-11) لازم است که سطوح همه لایه ها به یک مساحت مشخص لوله تبدیل شوند . این مساحت مشخص کننده می تواند سطح داخلی یا خارجی لوله باشد که معمولا سطحی که توسط گاز زدوده می شود ملاک قرار داده می شود . به طور مثال در یک دیگ لوله آبی اگر ضرایب انتقال حرارت فیلم (لایه ثابت ) آب در سطح داخلی لوله hw باشد میزان انتقال در میان سطح خارجی که بزرگتر است کمتر از مقدار کل همان اندازه حرارت در سطح داخلی لوله خواهد بود یعنی :

Q=hwA i(t4 -tw) = hw0A0 (t4-tw)

 که  hw0  ضریب مربوط به سطح خارجی لوله است .

 Hw0 = hw Ai/A0 = hw  di/d0

0 A1 , A0 ,d1,d     در شکل (5-6 ) مشخص شده اند . برای تعیین ضریب انتقال  حرارت در میان  دیوار لوله ، قطر متوسط را به قطر موثر در تعیین ضریب انتقال حرارت به کار می رود . بنابراین جهت تعیین ضریب کلی انتقال حرارت از میان دیوار لوله از سطح خارجی لوله معادله (5-11 ) به این صورت است :

مقادیر عددی  نمونه جهت ضرایب انتقال حررات در دیگ بخاری که از طریق انتقال حرارت گازهای داغ از میان دیوار لوله  به آب دیگ منتقل می شود . در جدول 1-5 نشان داده  شده است . در این جدول همین ضرایب در مورد لوله ای با قطر خارجی 76 میلی متر و ضخامت 4 میلی متر . و گازهای داغ در خارج و آب در داخل

جدول 5-1 نمونه ای از ضرایب انتقال حرارت

ضریب مربوط به قطر داخلی     ضریب حقیقی

80                                                    80                                    فیلم گاز

6 000                                           6 000                              رسوب سمت گاز

11 368                                         12 000                            دیوار لوله

5 368                                            6 000                             رسوب سمت آب

10 737                                         12 000                            آب جوش

76.7                                               78.4                              کل

لوله  نشان داده شده است . ضرایب کلی محاسبه شده با استفاده از معادله (5-12 ) نیز دذکر شده است .

از مقادیر داده شده در جدول ملاحظه می گردد دقت ضریب کلی انتقال حرارت تقریبا 96% ضریب انتقال حرارت در سمت گازهای داغ می باشد . نکته قابل توجه این است که همواره ضریب کلی انتقال حرارت کمتر از پائین ترین ضریب انتقال حرارت هر یک از لایه ها می باشد . در مواردی که ضریب انتقال حرارت در سمت گازهای داغ نسبت به سایر ضرایب بسیار پائین باشد . براتی تعیین ضریب کلی فاکتوری به نام فاکتور رسوبی یا فاکتور سطحی یا هر نام دیگری که مهندس طراح انتخاب کند به ضرایب انتقال حرارت سمت گاز اضافه می شود . این فاکتور به طور تجربی به دست می آید . قابل ذکر است که مقدار hc  رسوب در سمت آب مقداری است که در آب های خوب تصفیه شده است و جود دارد . . اثرات رسوب در این قسمت  از دیگ را نباید از نظر دور داشت . شکل 6-7 افزایش دمای فلز محفظه احتراق یک دیگ لوله آتشی را با افزایش ضخامت رسوب در یک دیگ شار حرارتی معین نشان می دهد . اگر علاوه بر رسوب برخورد شعله با فلز هم وجود داشته باشد و منجر به شار حرراتی چشمگیر شود دمای افزایش بیشتری یافته و پی آمدهای وحشتناکی به دنبال خواهد آورد . در مورد لوله های داغ کننده بخار آب و گرم کننده های هوا که سیال موجود در هر دو سمت لوله گاز یا بخار آب است ضرایب انتقال حرارت در هر دو سیال به حدی است که لزوم منظور نمودن آن را در محاسبات ضریب کلی ایجاب می نماید . ضرایب دیوار لوله و رسوب را می توان با منظور کردن فاکتوری تجربی به ضرایب کلی ، تعیین کرد . اثر دو ضرب مساوی با مثالی در گرمکن هوای استوانه ای شکل که دارای 60 mm  قطر خارجی  3 mm  ضخامت (قطر داخلی 54 mm  ) با جریان گاز در داخل لوله و هوا در بیرون آن نشان داده شده است .

25 W m c   از میان لایه گاز ساکن گاز  hg     

45 W m  C      از میان لایه ساکن هوا      hw

با استفاده از معادله (5-12 ) ضریب کلی انتقال حرارت در سطح داخلی لوله بدون در نظر گرفتن ضرایب رسوبها و ضخامت دیواره به این صورت است :

5-5     اختلاف دما

در مثالهایی که تا کنون آورده شده است به نقطه ای  خاص در دیگ با اختلاف دمای ثابتی اشاره شده است و در عمل هم زمان با انتقال حرارت از سمت گازهای داغ و سرد شدن گازها ، تغییر منظم و پیوسته ای از دما در سمت گازهای داغ بوجود می آید . همچنین تغییر دمایی در سمت سیال سردی که در آن تغییر فازی دیده نمی شود ( یعنی تغییر آب به بخار نظیر پیش گرمکنهای آب تغذیه اکونومایزر ها داغ کننده های بخار و گرمکنهای هوا ) بوجود می آید . در تبخیر کننده ها که بخار تولید می گردد دمای سمت آب ثابت می ماند .

سه مورد احتمالی که در یک دیگ اتفاق می افتد در شکل 7-5 نشان داده شده است . شکل (5-7   الف )نمودار دمای سیالات را در مبدلهای حرارتی که در آنها تبخیر مایع در فشار ثابت دمای توسط انتقال حرارت گاز یا مایع داغ که در طول سطح انتقال حرارت جریان دارد صورت می گیرد . نمونه بارز این مورد تولید بخار در دیگ است که در آن گازهای داغ حاصل از احتراق در طول لوله ها جریان دارد ( البته تغییرات جزئی دما به علت تغییرات فشار ناشی از ارتفاع استاتیک و افت فشار سیال وجود دارد ) شکل (5-7  ب ) نمودار  دما را در مبدل حرارتی که در آن سیال ها دار جهت مخالف دتر مبدل حرارت بدون تغییر فاز جریان دارند نشان می دهد . این مبدل را مبدل جریان مخالف گویند . شکل (5-7 ج ) نمودار جریان را در مبدل حرارتی که سیالها را در یک جهت و بدون تغییر فاز در طول مبدل جریان دارند نشان می دهد . این مبدل را مبدل جریان موازی می گویند . این نوع مبدل در داغ کننده های بخار یا گرم کننده های هوا که دمای فلز اهمیت  زیادی دارد به کار می رود .

همانطور که در شکل 5-7 ملاحظه می شود . اختلاف دما در ورودی و خروجی مبدل متفاوت است منجر به تغییر میزان انتقال حرارت می گردد .این اختلاف دما به صورت خطی نیست و در محاسبات انتقال حرارت میانگین این اختلاف دما با فرمول زیر نشان  داده می شود .

که در آن : .tmaxاختلاف دما بین دو سیال در سمتی از مبدل که اختلاف دما حداکثر است .tminاختلاف دما بین دو سیال در سمتی از مبدل که اختلاف دما حداقل است .

اختلاف دمایی که توسط این فرمول محاسبه می شود به نام اختلاف دمای متوسط الگوریتمی نامیده می شود . شکل 5-8 نمونه ای از نمودار دما در دیگ بخار  یا داغ کننده بخار پیش کرمکن آب تغذیه و گرمکن هوا را جهت نشان دادن کاربرد شکل 5-7 عرضه دارد . با به کار گیری نتایج حاصل از این فرمول در مثالهای شکل (5-7 ب ) و (5-7 ج) ملاحظه می گردد  LMTD  ( اختلاف دمای متوسط الگوریتمی ) در جریان مخالف بیشتر از جریان موازی است به همین ترتیب انتقال حرارت در جریان مخالف  نیز بیشتر است . برای مثال اگر :

  T1= 1132 c         t2=724 c

T3=280 c             t4=490 c

در جریان مخالف :

در جریان موازی :

تاثیرات (این دو جریان ) هنگامی که مقدار t  کم باشد چشم گیرتر است . بنابراین جریان موازی فقط در مواردی که مزایای مکانیکی خاصی مطرح باشد به کار می رود ، نظیر بالا بودن دمای فلز در سمت گازهای سرد خروجی  از پیش گرمکنهای هوا ، به منظور جلوگیری از خوردگی (فصل 7 و 10 ) و نیز پائین آوردن دمای فلز در خروجی داغ کننده های بخار به منظور جلوگیری از گداختگی فلز و خودداری از به کاربردن لوله های ضخیم یا فلز بسیار مرغوب در این فسمت از داغ کننده های بخار جهت جبران (کمی انتقال حرارت) سطوح انتقال حرارات را باید افزایش داد .

چنانچه در مواردی نظیر بخار نظیر دیگهای بخار نتیجه دلخواه از جزیانهای موازی یا مخالف به دست نیاید برای تعدیل LMTD  باید از فاکتورهای  تصحیح کننده استفاده نمود

. کاربرد عملی

برای ترکیب معادله های گذشته در طراحی دیگ از این رابطه استفاده می شود .

(اختلاف دمای متوسط لگاریتمی * ضریب کلی انتقال حرارت )/ کل انتقال حرارت لازم = سطح حرارتی لازم در طراحی قسمتهای مختلف دیگ جهت کاربرد های ویژه تمام  فاکتور های سمت راست این معادله  قابل محاسبه است ، بنابراین سطح حرارتی لازم از جمله داغ کننده ای بخار پیش گرم کن های آب تغذیه و گرم کننده های هوا قابل محاسبه است .

نمونه ای از کاربری معادله (5-14 عملکرد داغ کننده بخار (شکل 5-8 ) است . اطلاعات داده شده از این قرار است :

-سطح انتقال حرارت لازم       mw 19.285

LMTD جهت جریان مخالف طبق محاسبه    537 c

از طریق مقال بخش 5-6

ضریب کلی انتقال حرارت (تمیز ) بخش 5-9    87.3 Wm  c

ضریب رسوبی                                                       0.85

به کمک معادله (5-14 ) سطح حرارتی لازم :

تعیین ضریب انتقال حرارت مستلزم داشتن مقادیر بخار و گازهای (حاصل از احتراق ) . ابعاد دیگ انتخاب قطر لوله ، فاصله گذاریها ، و تعداد لوله های ناقل بخار است . فشار در طول داغ کننده های بخار نیز باید مورد توجه قرار گیرد و در حد قابل قبولی باشد . در دیگهای استاندارد نظیر دیگهای لوله آتشی و دیگهای لوله آبی مونتاژ شده در کارخانه (پکیچ ) که ابعاد دیگ و بالطبع سطوح انتقال حرارت کنوکسیون بر طبق ظرفیت دیگ و نقشه های مربوطه ثابت هستند باید مقدار انتقال حرارت در سطوح ثابت معلوم باشد  تا بتوان دمای گازهای  ورودی به هر یک از وسایل بازیافت حرارتی الحاقی را مشخص کرد . البته دمای خروجی از هر یک از این قطعات الحاقی نا مشخص است بنابراین نمی توان  میزان انتقال حرارت و اختلاف دمای متوسط لگاریتمی را تعیین کرد .

 در این شرایط معادله (5-14 ) را از طریق آزمایش و خطا با انتخاب مقادیری از دمای  خروجی گازها و تصحیح میزان انتقال حرارت تا رسیدن به تعادل لازم حل می نماییم . به کمک رایانه  انجام محاسبات طراحی دیگ به آسانی  انجام پذیر است . مهندس طراح از طریق تجربی قادر است مقدار تقریبی نسبتا دقیقی از محاسبات را بر آورد نماید و با ساده کردن محاسبات تصحیح ضریب انتقال حرارت را در تغییرات مختلف دمای گازها بر طرف نماید

سطوح زائده دار

در مناطقی از دیگ که قسمت عمده انتقال  حرارت از گازها به آب از طریق کنوکسیون (جابجایی ) صورت می گیرد . ضریب انتقال حرارت در سمت گازها در مقایسه با آن در فلز لوله و در سمت  آب بسیار پائین است که عامل تعیین کننده ای در مقدار ضریب کلی انتقال حرارت محسوب می گردد . اگر بتوان ضریب انتقال حرارت (در سمت گازها را ) به طریقی  افزایش داد ، فضای اشغال شده توسط سطوح حرارتی جهت  مقدار معینی از انتقال حرارت به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و یا می توان در همان فضا حرارت بیشتری را منتقل نمود . یکی از روشهای  متداول استفاده از سطوح زائده دار در سطح گازها است که شامل اشکال متنوعی از باله یا پره های متصل به لوله است که سطوح داغ شده در واحد طول لوله را به نحو چشمگیری افزایش می دهد . در گرمکنهای هوا که در دو طرف سطوح انتقال حرارت آنها گاز جریان دارد می توان با گسترش سطح داخل و خارج آنها انتقال حرارت را بهبود بخشید . لوله هایی چدنی که دارای  سطح اضافه شده به طریقه ریخته گری هستند نظیر گرم کننده های صفحه ای موجود  می باشند . افزایش سطح متناسب با افزایش انتقال حرارت نیست . زیرا گر چه بر اثر بلند تر شدن زائده ها دمای  آنها را افزایش  می یابد واین باعث دورتر شدن  آنها  از سطح لوله اصلی می گردد و در نتیجه اختلاف دمای موثر را کاهش می دهد . ضریب بازده پرده ها برای اصلاح این امر پیش بینی شده است .

چنانچه از سطوح زائده دار در مقاطی که دمای گاز در آنها بسیار بالا است . نظیر کوره با دیواره های لوله ای تمام جوش استفاده شود با ید دقت کرد که دمای فوق العاده  به زائده ها آسیب نرساند . روش محاسبه  انتقال حرارت در سطوح زائده دار توسط مک آدامز و کرن بیان شده است . سازندگان این گونه سطوح ضرایب اصلاحی ا رائه  می نمایند که چون این ضرایب در پی آزمایشهایی با استفاده از فواصل بین زائده ها و سرعت گازها بدست آمده تا اندازه ای قابل  استفاده هستند .

استفاده از سطوح زائده دار عمومیت ندارد و در مواردی که فاصله بین پره ها  کم حدود 4 میلی متر باشد احتمال نشست رسوبها به خصوص در موارد دیگهای با سوخت جامد و در نقاط سرد تر دیگهای با سوخت نفت کوره نظیر اکونومایزر بر آنها می باشد . توصیه می گردد در سطوح زائده دار نظیر که احتمال نشست گرد و غبار توسط گازها می رود . مسیر گازها را بر سطح لوله ها به طور عمودی انتخاب کنند با از ایجاد رسوب بر سطح پره ها که معمولا در لوله های عمودی با پره های افقی پیش می آید خودداری شود . به همین دلیل است که از به کاربردن سطوح زائده دار به ندرت در لوله های تبخیر کننده و داغ کننده بخار دیگهای با سوخت فسیلی و به خصوص در دیگهای چند مخزنی که دارای عمودی یا شیب دار هستند استفاده می شود .از سطوح زائده دار در سطح وسیعی در دیگهای بازیافتی حرارتی از گازهای داغ و تمیز به خصوص گازهای خروجی توربینهای گازی استفاده می شود در مواردی که جریان گازها از داخل لوله ها نظیر دیگهای لوله آتشی می باشد . عامل موثر انتقال حرارت نسبت طول به قطر لوله می باشد . هر چه این نسبت زیادتر باشد . افت دما در طول لوله بیشتر خواهد شد . تمهیدات زیادی جهت استفاده بهینه از طول لوله به عمل آمده ایت که از آن جمله ساخت لوله های سینوسی یا پیچ دار برای افزایش سطح انتقال حرارت و بهره برداری بیشتر از طول مسیر حرکت گاز است . راه دیگر ایجاد حرکت پیچشی به جریان گاز است که به نام کند کننده نامیده می شود . این امر باعث  پیموده شدن طول بیشتری توسط جریان گاز در مقایسه با جریان خطی آن در هنگام افزایش سرعت می گردد . ایوانز و سارجانت طی آزمایشاتی موفق به ارائه تخمین اثر قرار دادن لوله های مارپیچ فولادی در درون لوله ها شدند . اسپالدینگ هم اخیر به ارزیابی انواع مختلف به همزنهای مختلف در مقایسه با لوله  صاف شده است . جواب کوتاه سوال  استفاده یا عدم استفاده از این وسایل این است که با توجه به افت مکشی که این وسایل ایجاد می کنند . بهتر است از لوله های باریکتر استفاده شود . این امر را می توان  در مرحله طراحی انجام داد ولی استفاده از به هم زنها را می توان در دیگهای موجود را برای بهبود بازدهی آنها اجرا کرد . هر نوع وسیله ای که منجر به افزایش سطح انتقال حرارت می گردد گران و پیچیده خواهد بود ، زیرا تعبیه این وسایل مستلزم خارج ساختن آنها جهت تمیز کردن و جادادن مجدد آنها  می باشد  . این وسایل در انواع خاصی از دیگها جهت صرفه جویی در فضا و در دیگهای جمع و جور به کار می رود .

در دیگهای با ظرفیت بالا لوله آبی محفظه احتراق بزرگ جهت بهبود ضریب انتقال حرارت سطوح داخلی لوله ها آنها را به صورت خازن دار می سازند و بدین ترتیب دمای فلز لوله ها را پائین تر از سطح لوله های صاف مشابه می رسانند .

 در دیگهای لوله آتشی که از حرارت گازهای بازیافتی استفاده می کنند و کارآیی بالایی دارند با قرار دادن غلاف لوله ای  شکل در داخل لوله های دیگ و ایجاد فاصله بین دو لوله باعث تشکیل لایه ساکن و عایق در لوله و در نهایت کاهش انتقال حرارت شده اند .

مثالهای عملی

تعیین دمای فلز سطوح مختلف گرم شده در دیگ با استفاده از معادله های (5-3 (5-6 )(5-12 ) انجام می شود که نمونه ای از آن را در زیر آورده شده است .

به یکی از لوله های داغ کننده بخار با داده های فنی زیر توجه نمایید .

قطر خارجی لوله 52 mm           

ضخامت لوله 5.89 mm        

ضریب انتقال حرارت در سطح گاز ها 95 W m c

ضریب انتقال حرارت در سمت بخار بر اساس 1820 W m c         

قطر داخلی لوله

دمای گازهای ورودی 1132 c        

دمای خروجی بخار 490 c          

نوع جریان                         مخالف

قابلیت هدایت گرمایی فلز با 1% کرم  30.6 W m  c

ضریب کلی انتقال حرارت  U برای شرایط تمیز به این صورت است :

شار گرمایی در ورودی گاز و خروجی بخار

= U* t = 87.3 (1132 - 490) = 56 047 W m

 افت دما از میان لایه ساکن بخار

=56 047 / 1820 = 31   c  ضریب بخار / شار گرمایی =

افت دما از میان دیواره لوله

 56 047 / 4608 = 12 c = ضریب دیواره لوله / شار گرمایی =

حداکثر دمای فلز

tضخامت دیوار لوله + t   لایه ساکن بخار + دمای نهایی بخار =

= 490 + 31 + 12 = 533 c

 نتیجه حاصل بدون در نظر گرفتن اضافاتی است که مهندس طراح ممکن است بنا به نیاز و طبق کد طراحی به دمای هر یک از لوله های بخار که بر اثر تغییرات جریان گاز ، دما و جریان بخار دمایی بالاتر از متعارف دارد بیافزاید . البته طبیعی است که دمای معمولی بخار بین 10 در جه متغیر باشد که می توماند در دمای نهایی بخار منظور گردد . تمام عوامل فوق دمای طراحی دیواره لوله را کمی بیشتر از 533  درجه تعیین می کند حداکثر تنش قسمت طراحی شده قابل قبول در دماهای مختلف جهت آلیاژهای مختلف در کدهای مربوطه دیگ ذکر شده است .

  ا فت فشار در سیستمهای جریان دیگ 

جهت برقرری جریان هر سیالی در داخل لوله یا روی لوله های دیگ نیاز به اختلاف فشار یا افت از شروع تا پایان مسیر جریان می باشد . معمولا این اختلاف فشار توسط تلمبه ها یا دمنده های  الکتریکی  ایجاد می گردد . بنابراین افت فشار ها از عوامل اساسی طراحی دیگ هستند که در وضعیت خوب و با صرفه مقدار آن در حداقل می باشد . افت فشارها از عوامل اساسی طراحی دیگ هستند که در وضعیت خوب و با صرفه مقدار آن در حداقل می باشد افت فشار بالا و بالطبع سرعت گاز بالا منجر به کاهش شدید سطح حرارتی ولی حداکثر توان مصرفی نیرو می گردد ..

هزینه ساخت دیگ بخار برای یکبار همیشگی و قابل پیش بینی است ولی مصرف نیرو (الکتریسیته ) در همه دوران کار دیگ ادامه دارد . و بنابراین مصرف فزاینده آن منجر به هزینه های بلند مدت قابل توجهی خواهد شد . وظیفه مهندسین طراح در این مورد انجام بررسیهای  لازم بر اساس  اطلاعات به دست آمده از طرف مشتری می باشد چنانچه واحد دارای ضریب بار کمی باشد . نظیر سیستمهای گرمایشی فصلی هزینه های پمپاژ و دمنده ها قابل تحمل است در صورتی که در مورد واحدهایی که در طول سال به طور یکنواخت در فعالیت هستند باید چاره اندیشی کرد .

جریان در لوله ها

افت فشار ناشی از اصطکاک بر اثر جریان سیالات در لوله با استفاده از معادله فنینگ  به دست می آید .

 افت فشار اصطکاک=

که در آن :

فاکتور اصطکاک                                                            f

سرعت جرمی (جرم بر واحد سطح برش عرضی در واحد زمان )      G

حجم مخصوص سیال v                                                      

شتاب ثقلg                                                                       

طول لوله L                                                                     

قطر داخلی لوله  d                                                             

(تمام واحد ها بر حسب واحدهای یک سیستم می باشند )

معادله فوق  برای سیال تراکم نا پذیر است و در مواردی که تغییری در حجم مخصوص سیال درون لوله نظیر افت فشار زیاد نسبت به فشار سیال حادث شود . فاکتورهای دیگری به آن اضافه می شود در داغ کننده های بخار نیز تغییرات حجم مخصو ص هم زمان با افزایش دما پیش می آید . این تغییرات در تبخیر کننده ها نیز هنگام تغییر فاز آب به بخار صورت می گیرد . فاکتور اصطکاک f تابعی از عدد رینولدز است و می توان مقدارش را از منحنی مودی  به دست آورد . فاکتور اصطکاک ارائه شده توسط مودی در فرمول دارسی به این صورت است .

 

                    

= افت فشار

مقداری است که از کاربرد ارقام مک آدامز در فرمول فنینگ به دست می آید .در این فرمول    v سرعت خطی  می باشد بنا بر این در استفاده از فاکتور اصطکاک برای محاسبه افت فشار باید به آن توجه نمود .

در محاسبات افت فشار کلی سیستم باید به افت فشار درون زانوئیها افت فشار ناشی از انقباض انبساط و سایر اتصالاتی که نقش عمده ای در افت فشار در مدار دیگ دارند توجه کرد و در محاسبات منظور نمود به خصوص در داغ کننده های بخار پیش گرمکن های آب تغذیه که لوله ها به صورت شبکه ای و دارای زانوئیهای زیاد هستند این امر حائز اهمیت است . در سیستم لوله کشی واحد نیز شیر ها و سایر اتصالات باید منظور شوند . این امر با اضافه کردن طول موثر مدار در معادله (5-15)  از طریق  در نظر گرفتن طول معادلی برای هر مورد(زانویی ، شیر ، اتصالات  . . . ) ممکن می گردد . طولهای معادل را  از طریق تجربی برای هر مورد یا اتصال به صورت L/D  تعیین می کنند که در آن قطر داخلی لوله یا اتصال است . این معادله را می توان از منابع مختلف کسب کرد .

با توجه به پیچیدگی سیستم می توان افت فشار کلی را از مجموع موارد جداگانه ای که توسط معادله (5-15 )  محاسبه می گردند . و به کمک آنها مقادیر f , G , v   مربوط به هر قسمت از مدار را که دارای تغییرات قطر و حجم مخصوص در طول لوله باشد محاسبه کرد . بنابراین فرمول کلی افت فشار اصطکاکی به این صورت در می آید :

جریان در دسته لوله ها

 پیش بینی افت فشار یا مکش ناشی از جریان سیال در روی لوله ها به مراتب از جریان درون لوله ها مشکل تر است زیرا در مورد اول شاهد تغییرات مداوم سرعت بر اثر عبور لوله ها از یکدیگر می باشیم فاصله بین  لوله ها آرایش و نوع لوله های به کار رفته (صاف یا زائده دار ) نیز بر سرعت سیال تاثیر می گذارند . معادله افت فشار اصطکاک بر اثر جریان گاز که عمود بر محور لوله است به این صورت می باشد .

که در آن :

تعداد ردیف لوله های مورد نظر  N                                              

 حداکثر سرعت جرمی در کمترین سطح جریان  G                            

 فاکتور اصطکاک که اعداد آن توسط گریمیسون برای لوله ها f            

 متقاطع یا موازی و قطرهای مختلف تعیین شده است

حجم مخصوص سیال                                                            v

چرخش آب در دیگ

 چرخش طبیعی

چرخش آب در اکثر دیگهای صنعتی لوله  - آبی و لوله آتشی به صورت طبیعی صورت می گیرد که توسط آن آب درون دیگ حرارت جذب شده توسط جداره داخلی لوله را گرفته با خود می برد و بدین وسیله باعث خنک شدن دمای فلز قابل قبول می گردد . اساس چرخش طبیعی آب در شکل 5-9 در یکی از لوله های دیگ بخار لوله آبی به صورت ساده ای نشان داده شده است .

اگر این مجموعه پر از آب در دمای اشباع باشد و به شاخه A سمت راست آن به لوله بالا برنده نامیده می شود حرارت داده شود . با جذب نهان آب می جوشد و بدین ترتیب قسمتی از آن آب بخار شده  و تبدیل می گردد . این بخار به صورت حباب در درون آب است بنابراین مخلوط حاصل به نام جریان دو فاز نامیده می شود به علت کم بودن چگالی بخار نسبت به آب (و بالا بودن حجم مخصوص بخار ) شکل 6-2 فشار ناشی از ارتفاع H مخلوط آب و بخار در پائین شاخه B کمتراز این فشار در ستون آب اشباع شاخه سمت چپ c خواهد بود . این وضعیت پایدار نخواهد ماند و جریانی به سمت بالا در ستون سمت راست بر قرار خواهد شد . مقدار این فشار به اندازه ای است که تمام افت فشار  یا مقاومت موجود در مقابل جریان را از مخزن بخار تا لوله پائین آورنده و برگشت به لوله بالا برنده تا مخزن را تامین می نماید و در حالت تعادل برابر با اختلاف ارتفاع بین ستون A,C  می باشد .

مقدار آب در چرخش در این مجموعه باید چندین برابر کل بخار ایجاد شده در لوله بالا برنده باشد تا شرایط مطلوب برقرار گردد . مقدار آب در چرخش در فشارهای بالا (200 bar )  چهار برابر بخار تولید شده و در فشارهای پائین تا 30 برابر می رسد . این عدد را فاکتور  چرخش مجموعه می نامند و مقدارش برابر است با :

جرم بخار تولید شده در لوله / کل جرم آب جاری در لوله = فاکتور چرخش

روند انتقال حرارت لوله ها به آب بسیار پیچیده است .

             

آب تغذیه دیگها معمولا با دمایی کمتر از اشباع و با فشار عملیاتی دیگ به آن وارد می شود . اختلاط این آب و آب با دمای اشباع دیگ باعث  کاهش دمای آب در لوله پائین آورنده به کمتر از اشباع می گردد و اصطلاحا می گویند نیمه سرد می شود که مقدارش بستگی دارد به دمای آب تغذیه و مقدار آب چرخشی در مدار دیگ دارد . در اثر ایجاد این تغییر  در لوله پائین آورنده و بالاترین بودن فشار استاتیکی ( نقطه B در شکل 5-9) از فشار داخل مخزن بخار به علت فشار استاتیکی لوله پائین آورنده مقداری حرارت لازم است تا دمای آب این لوله به دمای اشباع برسد . . در حین گرم شدن و بالارفتن دمای آب نیمه سرد به دمای اشباع انتقال حرارت به قسمت اعظم آب مجاور سطح لوله از طریق جابجایی یا ایجاد بخار در سطح لوله ها انجام می گیرد که این حبابها توسط تلاطم موجود در آب حمل شده  و پس از تقطیر شدن گرمای نهان خود را به صورت گرمای محسوس به آب می دهند . نکته قابل توجه در طراحی دیگهای آب جوش این است که دمای آب در شار حرارتی  بالا است . کنوکسیون یا جابجایی یه تنهایی نمی تواند حرارت جذب شده توسط فلز را خارج سازد و این امر با ایجاد جوشش حبابی مسیر می گردد . به خصوص در دیگهای لوله آتشی که ضخامت فلز بیشتر از ضخامت لوله در دیگهای لوله آبی است می گردد .

وقتی آب در دمای اشباع خود باشد جوشش حبابی صورت می گیرد و ضمن آن حبابهای ایجاد شده می ترکند و از سطح فلز دور نگه داشته می شوند . در نتیجه آب بیشتری به لوله وارد می شود و باعث بالا بردن ضریب انتقال حرارت و کاهش دمای فلز می گردد . در شار های حرارتی بالا حبابها به آسانی نمی ترکند و از محیط دور نمی شوند . بلکه به یکدیگر پیوسته و ایجاد فیلمی از بخار می نمایند . این امر باعث کاهش میزان انتقال حرارت بین فلز لوله و آب (در سمت آب ) شده و دمای فلز را بالا می برد . این پدیده را جوشش فیلمی می نامند . فصل مشترک بین این دو نوع جوشش را نقطه انحراف از جوشش حبابی می نامند . نحوه عملیات در دیگهای صنعتی به جز دیگهای یک سویه باید به نحوی باشد که با طراحی دقیق در سیستم چرخشی آب جوشش به صورت حبابی باشد

ضوابط چندی جهت برقراری ضریب انتقال حرارت بالا در سمت آب دیگهای بخار به کار رفته تا جریان مطمئنی از آب را در مدار چرخشی آب تامین نماید  . در انتخاب این ضوابط بررسیهای بیشماری به عمل آمده است که از  آن جمله سرعت آب ورودی  به لوله سرعت جرمی مخلوط (آب و بخار ) و درصد حجمی بخار در خروجی لوله حرارت داده شده را می توان ذکر کرد . گرچه اصل محاسبات چرخش آب یکی از اصول ساده هیدرولیک است . ولی محاسبات واقعی به علت عوامل چندی از جمله یکنواخت نبودن میزان حرارت داده شده در سراسر طول لوله و در نتیجه مشکل محاسبه فشار استاتیکی در لوله بالا برنده بسیار پیچیده است . علاوه براین مشکل دیگری که در دیگهای لوله آبی با چرخش طبیعی وجود دارد وجه اشتراک بعضی قسمتها در کلیه مدارهای دیگ است . به طور مثال با توجه به شکل 5-4 ملاحظه می گردد که ناحیه لوله های کنوکسیون و تمامی لوله های محفظه احتراق (در سمت دیواره های جلو ، کنار عقب ) همگی از طریق آب مخزنی پائینی  تغذیه می شوند . این جریان از طریق یک ردیف لوله های پائین آورنده رابط (بین دو مخزن ) برقرار می شود که بین همه مدارها مشترک هستند موضوع قابل توجه دیگر این که در لوله های عمودی یا مایل به عمود  ، حبابها ی ایجاد شده به علت اختلاف چگالی آب و بخار سریعتر از آب به طرف بالا حرکت می کنند . اختلاف سرعت بین بخار و آب در فشارهای پائین که اختلاف چگالی زیادتر است . بیشتر می باشد . این پدیده که به نام گریز یا جریان نا پیوسته نامیده می شود در مقابل جریانهای هم گون که در آنها فرض  بر یکی بودن سرعت آب و بخار است قابل  توجه می باشد .

با توجه به شکل 5-4 مشاهده می شود که لوله های داغ شده کوره توسط لوله های پائین آورده بیرونی یا لوله های تغذیه کننده می شوند . و مخلوط آب و بخار مدارهای دیوار جانبی از طریق لوله های بالا برنده به مخزن بخار بر می گردد . امروزه سعی بر این است که با کاهش تعداد و اندازه لوله ها هزینه ها را به حداقل برسانند .

اندازه و تعداد بهینه را می توان با خصوصیات چرخش مدارها مشخص  ساخت که در دیگهای با جریان طبیعی نکات قابل  توجه از این قرار اند :

1- تعداد زانوئیها را در لوله ها به حداقل برسانید .

2-از به کارگیری لوله هایی که حرارت داده شده در ورودی آنها کم و در خروجی آنها زیادباشد خودداری کنید

3-از به کار گیری مدارهای موازی و به هم پیوسته با اختلاف  فشار زیاد در سمت آب خودداری کنید . زیرا این امر منجر به افزایش جریان در لوله های کم فشار جهت برقراری کافی در لوله های پر فشار می گردد .بنابراین تعداد لوله های بالا برنده و پائین آورنده بیشتر از مواردی که به طور مستقل عمل کنند خواهد شد

دیگهای لوله آتشی مولد بخار یا آب جوش با چرخش طبیعی کار می کنند  . اما محاسبه چگونگی چرخش  به علت تغییر حرارت داده شده در طول مسیر از لوله ها و آرایش لوله ها مشکل است . در اینجا نیز تجربه نقش عمده ای در انتخاب مناسب آرایش لوله ها در این دیگها دارد .

چرخش اجباری و اصلاح شده

در دیگهای فشار بالا 140 bar  و بالاتر و در دیگهای ویژه ای که نحوه آرایش و مدار لوله ها اجازه جریان مدام آب را به طرف بالا نمی دهد و از این رو امکان استفاده از چرخش طبیعی وجود ندارد تعبیه تلمبه ای در مدار چرخش آب دیگ برای ایجاد فشار لازم و در نتیجه جریان مناسب ضرورت دارد . این مدارها تحت چرخش اجباری یا اصلاح شده عمل می کنند . شکل 2-6 طرحی از چرخش اجباری را نشان می دهد . این نوع چرخش را که در آن تلمبه جهت تامین افت فشار در دیگ استفاده می شود نباید با دیگهای یک سویه اشتباه کرد .

چرخش اجباری یا اصلاح شده این امکان را می دهد که از لوله کمتری با قطر کوچکتر در دیگهایی که مدار چرخش پیچیده ای دارند استفاده کرد . در مورد اخیر کاربرد چرخش اجباری در دیگهای بازیافتی حرارتی اهمیت زیادی دارد . برای توزیع مناسب جریان در لوله های موازی از قرار دادن نازلها صفحه های سوراخ دار با محدود کننده ها در شبکه هر یک از مدارها استفاده کرد . این موضوع در شکل 5-10 از صفحه سوراخ دار مناسب برای ایجاد فشار لازم و در نتیجه ایجاد جریان کافی به مدارهای مختلف استفاده شده است . در دیگهای لامونت این نازلها را در ورودی هر یک از لوله ها به کار برده اند .

افت فشار در دو طرف نازل برابر  با افت فشار در هر دو سر لوله است . . در حقیقت وقتی جریان فقط از طریق نازل باشد . در یک ظرفیت معین افت فشار تحت تاثیر حرارت داده شده به لوله های مربوطه قرار نمی گیرد . نتیجه کلی این است که نازلها باعث کاهش اثرات تغییر حرارت داده شده و آرایش لوله ها بین مدارهای موازی بر افت کلی فشار در شبکه و نهایتا جریان داخل هر یک از لوله ها می گردند .

در چرخش طبیعی جهت حصول اطمینان از برقراری حداقل جریان مطمئنه در همه لوله ها شاید لازم باشد مقدار جریان را در بعضی لوله ها تا چندین برابر حداقل جریان تامین نمود . به کارگیری سیستم اصلاح شده تثبیت جریان در هر یک از لوله ها به کمک ایجاد چرخش اجباری  باعث کاهش مقدار آب در گردش کمتری از مورد مشابه چرخش طبیعی می گردد . علاوه بر این ایجاد افت فشار بیشتر در قسمتهای مختلف مدار منجر به کاربرد لوله های کمتر با قطر نازکتری در شبکه بیرون دیسک می گردد . از طرف دیگر استفاده از سیستم چرخش اجباری باعث افزایش نیروی مصرفی دستگاههای جانبی دیگ و کاربرد وسایل اضافی بیشتری نظیر تلمبه ها و بالطبع هزینه نگهداری آنها می گردد .

چرخش آب خواه از نوع طبیعی یا اجباری مستلزم آنالیز کاملی از حرارت داده شده و جریان آب در کل لوله ها است تا بتوان جریان مطلوبی از آب در تمامی دیگ برقرار نمود . در مواردی هم که از سوختهای متعددی خصوصا گازها و سوختیهای نفتی با قدرت جذب حرارت بسیار متفاوت (جدول 5-15 )  استفاده  می شود . باید به هر یک از موارد خاص آتشکاری آنها توجه کافی شود . روشهای رایانه ای گرافیکی به جز در دیگهای ساده کمکهای ارزنده ای می نمایند .

 

گزارش بازرسی از بویلر

Refractory And Firebrick:          سیمانکاری  و آجرهای کف کوره

با توجه به پرتاب و ریزش سوخت به درون کوره و سوختن آنها بر روی آجر های کف کوره، اغلب این سطوح بازتابنده حرارت، آسیب کلی دیده اند و تعویض آنها ضروری می باشد. ترک خوردن سیمانکاری اطراف برنرها نیز، ترمیم و یا تعویض این جرم های نسوز ریختنی را ایجاب می نماید. باید توجه داشت که با توجه به تغییرات شرکت   سازنده، می بایست این جرم های ریختنی بر اساس الگو (شابلون) ارائه شده ترمیم گردند زیرا تغییر در زاویه Refractory اطراف برنرها می تواند در بد سوزی کوره نقش بسزایی داشته باشد هنگام مفروش کردن آجرهای کف کوره با توجه به بالا بودن دمای کوره و انبساط طولی و عرضی Fire Brick، می بایست در جهات طولی و عرضی، Expansion Joint مناسب در نظر گرفت.

باید به این نکته نیز توجه زیادی نمود که سطوح آجرهای نسوز(Fire Brick)  سطوح بازتابش حرارتی می باشد و نقش  به سزایی در انتقال حرارت تشعشعی در درون کوره دارند و در صورتی که سطوح آنها تمیز نباشد کمترین مقدار تشعشع از آنها بازتابیده می شود. بدیهی است که هر چه میزان انتقال حرارت در این قسمت کمتر باشد، می بایست به ازاء بخار تولیدی سوخت بیشتر مصرف

 

 

 

 

 

شود که علاوه بر هدر رفتن منابع سوخت های فسیلی می تواند باعث آسیب دیدگی    دیواره های درون کوره (Water Wall)  گردد. (در اثر برخورد شعله به آنها)

 

(نمای کلی های 1ز بویلر) Burner

 

 

 

 

 

(ریزش سیمان اطراف ها) Burner

 

 

 

 

 

(ریزش سیمان کاری روبرویه) Burner ا

 

 

 

(عدم رعایت در هنگام آجر چینی)  Expansion  Joint

Furnace Wall Tube

 

بیشترین میزان انتقال حرارت در این ناحیه صورت می پذیرد. انتقال حرارت ناشی از احتراق سوخت در محفظه احتراق دیگ بخار تقریباً بطور کامل توسط تشعشع با کمی انتقال حرارت از طریق Convection است. این نسبت بستگی به طراحی دیگ، نوع آتشکاری و اثرات آن بر سرعت جریان گازها از روی سطوح گرم دارد. در هر کوره سطوح سرد یا سطوح گیرنده حرارت، ثابت است ولی بازده آن با تجمع رسوبات (Flame Emissirity) و گدازه ها (Luminosity) تغییر  می کند. این تغییرات طی کارکرد طولانی کوره پیش می آید و بر کارایی کلی دیگ تاثیر می گذارد. معمولا دما   لوله های تمیز سطوح سرد ) Water Wall (با تقریب ناچیزی همانند دمای آب درون لوله ها است. تجمع گدازه ها بر مساحت و دمای سطوح گیرنده حرارت تاثیر می گذارند.

انتقال حرارت به طریق هدایت ) Conduction ( از میان مواد نسوز و عایق بکار رفته در محفظه دیگ، جدار لوله های تشکیل دهنده سطوح انتقال حرارت و هر گونه رسوب یا پوسته ای که بر روی این سطوح بنشیند صورت می گیرد.

کارایی و بازدهی حرارتی دیگ بخار، مستلزم سطوح گرمایی تمیز است.

در سطح عبور گازهای گرم، این امر شامل پاک سازی مواد رسوبی گازی بر سطح لوله ها می باشد. در غیر این صورت انتقال حرارت از گازها کاهش و دمای گازها افزایش می یابد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


(رسوبات روی تیوب های درون Furnace)

 

High Temp. Corrosion

سرچشمه این نوع خوردگی (خوردگی دردمای بالا) از وجود ترکیبات وانادیم در سوخت های سنگین می باشد که بصورت Normal حدود  ppm300- 25 در تمامی سوخت های مایع سنگین دیده شده است.

در حالت بهره برداری، مقداری از این ترکیبات بر روی تیوب های بویلر رسوب می کند. هنگامی که شرایط اکسید شدن مهیا شد (اکسیژن اضافی و دمای بالا) وانادیم به ترکیبات شرح داده شده ذیل اکسید می گردد.

4V+3O2            2V2O3

2V2O3+O2              2V2O4

2V2O4+O2          2V2O5

با توجه به فشار جزئی اکسیژن موجود در محیط و بسته به شرایط دمایی وانادیم به V2O3 سپس به V2O4 و در انتها به V2O5 تبدیل می شود. نقطه ذوب وانادیم در ترکیب V2O5 برابر 6500c می باشد که بیشترین مشکل را ایجاد می کند (بعلت هم دما بودن با دمای کوره).

در قسمت های دما بالای بویلر مثل سوپر هیترها، دمای بالا باعث ذوب شدن وانادیم شده، وانادیم ذوب شده بصورت خاکستر بر روی تیوب ها می نشیند و موجبات خوردگی در سطوح خارجی تیوب ها را فراهم می آورد.

فرآیند ته نشست (رسوب) وانادیم:

سوخت های سنگین مثل Heavy Fuel Oil نیز می بایست در فازهای گازی بسوزند و امکان سوختن آنها در فاز مایع  نمی باشد. تبدیل سوخت های مایع به دو روش صورت می پذیرد:

1- روش اتمایز(Atomize)  کردن سوخت و تبدیل آن به ذرات ریز.

2- حرکت ذرات ریز به جلوی برنرها و بالا رفتن ناگهانی دمای آن.

در این حالت قسمت های سبک سوخت شروع به سوختن می کند. (یعنی به فاز گازی در آمده و می سوزد)

کلیه سوخت های سنگین مایع حاوی مقادیری از مواد آسفالتی در حدود 5 تا 15 درصد می باشند. در هنگام ایجاد فرآیند تبخیر شدن سوخت، موادAsphaltine  که نقطه جوش متفاوتی دارند بصورت گازی در نیامده و بصورت توده ای متراکم در می آید. قطعات بزرگ این توده های متراکم پس از سوختن بصورت دوده ای در آمده و بر روی     تیوب های Super Heater می نشیند

 

Super Heater Tube

Soot

V

H

C

O2  IS PRESENT

HIGH TEMPERATURE

EXIST

  Soot Deposits On Super Heater Tube

 

 

 

 

 

 

 


Soot

V

H + O2 H2O

                    CO 2   2 C + O 

O2 IS PRESENT

HIGH TEMPERATURE

EXIST

Super Heater Tube

Oxidation Of Carbon & Hydrogen

محصولات حاصل از احتراق مواد Asphaltine بصورت دوده بر روی لوله ها می نشیند که عموماً شامل کربن (C) مقداری جزئی (H) و مقادیری وانادیم (V) می باشند.شرایط اکسیداسیون (اکسیژن بالا و دمای بالا) در کوره مهیا است و کربن و هیدروژن اکسیده شده و به CO2 و بخار آبH2O تبدیل می شوند. این گازها سپس از راه Stack خارج می شوند.اما فلز وانادیم در محل باقی می ماند و به تدریج ابتدا به V2O3 سپس V2O4 و در نهایت به V2O5 تبدیل   می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

4V + 302                      2V2O3

 

2V2O3  + 02                     2V2O4

 

2V2O4   + 02                     2V2O5

 

Super Heater Tube

O2 IS PRESENT

HIGH TEMPERATURE

EXIST

 

Oxidation Of Vanadium

 

 

 

 

 

 

 

 

 


در تیوب های سوپر هیتر، اکسید های وانادیم (2O5) بصورت مذاب، بیشترین میزان خوردگی را بر روی تیوب ها به وجود می آورند.

باید به این نکته نیز توجه داشت که اکسید مذاب وانادیم باعث جذب بیشتر دوده شده و باعث بالا رفتن دما در یک نقطه Hot Spot  و تشدید خوردگی در دمای بالا شود.

رسوب در دیگ های بخار با نفت کوره:

سوخت های نفت کوره سنگین حاوی سدیم و گوگرد می باشند، خاکستر این سوخت ها و اجزاء تشکیل دهنده خاکستر مواد نفتی معمولاً نقطه ذوب پایین تری دارند.

مکانیزم چسبندگی اولیه، تشکیل پیروسولفات سدیم می باشد که بعلت پایین بودن نقطه ذوب اجزاء تشکیل دهنده خاکستر ها، تجمع و فشردگی بعضی از این اجزاء به حالت مذاب و نیمه مذاب در لبه های جلویی لوله ها و صفحه لوله

 

 

 

 

                                               

 

 

 

 

 

 

 

 (رسوبات روی تیوب های سوپر هیتر بویلر)

که در مسیر جریان گازهای داغ قرار دارند رخ می دهد که پخش شده و بصورت لایه چسبنده ای سطوح فلزی را   می پوشاند و ذرات جامد بیشتری را به خود جذب می کند. در اکثر موارد در تجزیه خاکستر مواد نفتی عمدتاً  وانادیم، نیکل و سدیم یافت می شود. معمولاً وانادیم سوخته و به پنتوکسید وانادیم V2O5 تبدیل می شود که به حالت عادی و مذاب در گازهای حاصل از احتراق وجود داشته و باعث رسوب بر روی لوله های خنک تر می شود سپس این رسوبات جامد شده و با سایر مواد مخصوصاً سدیم , ترکیبات مختلفی از وانادات های سدیم نظیر متاوانادات سدیم Na2V2O5 ( به نقطه ذوبc°620)تشکیل می دهد. تنوع و پیچیدگی ترکیبات وانادیم، گوگرد، آهن و نیکل بسیار زیاد است که ممکن است نقطه ذوب بسیار کمی داشته باشند و باعث جذب و رسوب ذراتی شوند که قبلاً ایجاد شده اند.

طبیعی است که هر چه دمای گازهای حاصل از احتراق کمتر باشد، رسوبات سنگین کمتری تشکیل خواهد شد با توجه به تغییرات کیفیت نفت کوره، سوخت های سنگین نفت کوره، مواد رسوب زای بیشتری از گذشته خواهند داشت و این سوخت ها در کوره هایی سوزانده می شوند که برای آنها طراحی نشده اند که نتیجه آن تشکیل مقدار زیادی رسوب برروی تیوب ها می باشد. نمونه پدید آمدن چنین حالتی در سطوح Convection دیگ های بخار که بصورت Modular نصب شده اند دیده می شود. این دیگ ها امکانات کافی برای تمیز کردن و فضای لازم برای افتادن و جمع شدن رسوبات را ندارد.

تجمع رسوبات در این دیگ ها منجر به ایجاد گرفتگی جریان Flue Gas می شود. با توجه به اینکه امکان تغییر آرایش لوله ها و کم کردن دمای گازهای حاصل از احتراق Flue Gas مقرون به صرفه و امکان پذیر نیست ، پیشنهاد  میشود، مواد افزودنی شیمیایی به سوخت افزوده شود.

یکی از این مواد اکسید منیزیم (Magnesia) Mgo است که ممانعت از تشکیل لایه های رسوب اولیه (پیروسولفات) سدیم میکند و با ترکیبات وانادیم دار ترکیب شده و نقطه ذوب آنها را به نحو موثری افزایش میدهد. یکی از دلایل استفاده از این ماده شیمیایی تشکیل رسوبات سبک تر و شکننده تر از موادی است که تحت عملکرد مواد شیمیایی قرار نگرفته اند.

رسوبات حاصل را می توان به آسانی با  Soot Blowerاز دیگ خارج نمود. مثلاً نقطه ذوب وانادات سدیمNa2V2O5 , 12430c , 3MGO , V2O5 - 6210c است. با توجه به توضیحات داده شده می بایست سطوح داخلی کوره را به نحو مقتضی تمیزکاری نمود که می توان به استفاده از Power Tools و یا Blasting با استفاده از مسباره اشاره کرد.

 

 

 

 

 

(رسوبات روی تیوب های Riser در محل هایی که امکان دسترسی جهت تمیز کاری وجود ندارد.)

                                                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

Convection Bank: Riser And Down Comer:

 در دیگ های بخار Water Wall Tube آب در داخل لوله ها در اثر عبور جریان گاز داغ (Flue Gas) از بیرون تبدیل به بخار می شود. لوله ها از یک طرف به مخزن آب یا Water Drum و از طرف دیگر به Steam Drum متصل می گردد.

دسته هایی از تیوب در یک سری از صفحه قرار دارند این نوع قرار گرفتن موجب جذب حداکثر حرارت حاصل از احتراق به صفحه ها می گردد. جریان حرکت آب یا بخار در داخل تیوب ها و درام ها بصورت چرخش طبیعی می باشند. عمل گردش در دیگ بخار بر اساس اختلاف وزن مخصوص بین آب و بخار صورت می گیرد. در تیوب های مولد بخار، مخلوط بخار و آب وزن مخصوص کمتری نسبت به آب قرار گرفته در تیوب های غیر مولد بخار دارند. بنابراین عمل چرخش در دیگ بخار، جریان آب و بخار در درون لوله های گرمتر بطرف بالا و در درون لوله های غیر مولد بطرف پایین است.

Steam + Water

Mixture

Heater

Riser

Water

Unheated Down Comer

Steam

 

 

 


                                     

 

 

 

 

 

 شکل فوق شامل مخزن بالایی (Steam Drum) و مخزن پایینی (Water Drum)  می باشد که توسط یک سری تیوب به هم متصل شده اند. تیوب های مولد بخار در داغترین بخش دیگ بخار یعنی در محلی که گازهای احتراق در مرحله اول از آنجا عبور می کنند قرار داشته و بنام تیوب های بالا رونده (Riser) نامیده می شوند. این لوله ها مخلوطی از آب و بخار را به سمت بالا و به درام بخار که بخار از آن خارج می شود هدایت می نماید. آب از درام بالایی بطرف تیوب های خنک تر که به درام پایین متصل شده است روانه می گردد. این تیوب ها به نام Down Comer مشهورند.

داشتن یک چرخش سریع در دیگ های بخار با چرخش طبیعی لازم، منوط به داشتن عملکردی صحیح در مورد تیوب های بالا رونده می باشد. به مجرد عبور مخلوط بخار و آب از درون تیوب های دیگ بخار، حرارت جداره بلافاصله جذب آب گردیده  و در نتیجه سطح فلز خنک می شود. حال چنانچه چرخش کافی نباشد سطح خارجی تیوب ها فوق العاده گرم شده و نهایتاً پاره خواهد شد. با توجه به حجم بالای رسوبات که ممانعت زیادی در برابر جریان عبوری از لوله ها می نمایند در صورت ادامه کار با همین شرایط احتمال آسیب دیدگی کلی تیوب های بویلر می رود لذا Chemical Wash بویلر الزامی می باشد.

 (حجم بالای رسوبات درون تیوب های Steam Drum (عکس های سمت راست)  و Mud Drum (عکس های سمت چپ)  بویلر 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(حجم بالای رسوبات درون تیوب های Steam Drum (عکس های سمت راست)  و Mud

Drum (عکس های سمت چپ)  بویلر2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

قطعات داخلی Steam Drum :

هدف اصلی بکارگیری Steam Drum در دیگ های بخار Water Tube ایجاد حجم کافی و سرعت بسیار کم در جهت جدا کردن بخار از آب می باشد.اضافه کردن وسایل مکانیکی در درون آب موجب می شود که بخار در مسیر بیشتری تارسیدن به خروجی لوله اصلی حرکت نماید. وسایل مذکور در کاهش ورود قطرات آب به داخل بخار بسیار موثر می باشد. اما تأثیری در داخل شدن موادی که در حرارت دیگر بخار تبخیر می شوند به داخل بخار نخواهند داشت. نیاز به درجه خلوص بخار و عاری بودن آن از تراوش املاح در مقیاس وسیعی مربوط به چگونگی استفاده از بخار تولید شده دارد. زمانی که بخار تولید شده برای مصرف توربین باشد بالطبع به درجه خلوص بسیار بالایی از بخار احتیاج است مسلماً تولید چنین بخاری نیاز به عملکرد دیگ بخار در فشار بالا را خواهد داشت.

 نصب تجهیزاتی از قبیل: صفحات ممانعت کننده، تور سیمی (غربال) و لوله های خشک در فضاهای بالای آب در داخل درام بخار، جهت جدا کردن مکانیکی آب از بخار می باشد.لوله های خشک و ممانعت کننده نقش اصلی در جدا کردن قطرات آب از بخار (بعلت تغییر مسیر بخار) را دارند. در این روش ذرات آب همراه، از بخار جدا شده و در وسایل جدا سازی جمع آوری و سپس به مخزن آب تخلیه می گردد.

واحدهای بسیار جدید و فشار بالا احتیاج به بخار با خلوص زیاد دارند لذا به نحوی باید از تشکیل رسوب در سوپر هیترها و روی پره های توربین ممانعت به عمل آورد. طراحی تجهیزات داخلی مخزن با ازدیاد فشار عملیاتی مشکل تر می شود این مشکلات منبعث از تغییرات ناشی از خصوصیات فیزیکی آب و بخار زمانی که درجه حرارت آن افزایش پیدا می کند خواهد بود. لازم به ذکر است که کشش سطحی آب و تغییر وزن مخصوص آب و بخار با افزایش فشار و درجه حرارت کاهش می یابد. بخار جدا شده بعد از عبور از جداسازهای متعدد به لوله اصلی بخار وارد می شود.

در بیشتر دیگ های بخار درام بالایی نه تنها محلی برای تخلیه مستمر می باشد بلکه محلی مناسب برای وارد شدن آب تغذیه به دیگ و تزریق مواد شیمیایی است. 

بطور کلی رعایت نکات ذیل از هر نظر ضروری است:

1- هدر تخلیه دائم بایستی در محلی که آب دیگ بخار دارای حداکثر املاح غلیظ شده است باید تعبیه گردد.

 (در مجاورت بالا آورنده ها)

2-  لوله آب تغذیه به دیگ بخار بصورتی تعبیه گردد تا بدون آنکه اختلالی در سیستم تخلیه مستمر به وجود آورد آب مورد نیاز Down Comer را بطور مساوی تامین نماید.

3-  هدر تزریق مواد شیمیایی (اگر بر اساس تزریق فسفات باشد) می بایست در محلی مناسب نصب گردد تا بتواند مواد شیمیایی را به طور همگن در ناحیه Down Comer توزیع و پخش نماید.

لوله های تزریق مواد شیمیایی دارای سوراخ های به قطر و شکل مشخص می باشند و انتهای header باید کاملاً بسته باشد تا از پخش صحیح و درست مواد شیمیایی به داخل آب اطمینان حاصل کرد.

 

 

 

 

 

(رسوبات روی صفحات جدا کننده مکانیکی که حاکی از Carry Over می باشد.)

 

 

 

 

 

(آسیب دیدگی Wire Mesh ها)

 

 

 

 

 

 

(رسوبات روی Distributor Plates صفحات پخش کننده)

 

Super Heaters:

بخار اشباع خارج شده از داخل درام قبل از خارج شدن از دیگ بخار از سوپر هیترها عبور می نماید. سوپر هیترها درجه حرارت بخار را با فشار مرتبط به دیگ افزایش می دهند. بخار سوپر هیتر دارای درجه حرارتی به مراتب بیشتر از درجه حرارت بخار اشباع بوده و لذا قدرت بیشتری برای به حرکت در آوردن پره های توربین دارد.

در داخل تیوب های سوپر هیتر، بخار جریان دارد و در بیرون آن گازهای داغ حاصل از احتراق قرار دارد. درجه حرارت سطوح خارجی Super Heater به مراتب بالاتر از درجه حرارت تیوب های دیگ بخار می باشد. با توجه به درجه حرارت نهایی بخار خروجی از سوپر هیتر ملزم به استفاده از آلیاژهایی هستیم که در مقابل اکسیداسیون حاصل از عبور بخار و بالا رفتن درجه حرارت مقاومت لازم را دارا باشد.

آلیاژهای مورد استفاده در تیوبهای بویلر از فولادهای کم آلیاژی کرم مولیبدن دار(SA-213 Grade T11,T22)  میباشند. اضافه نمودن مولیبدن به آلیاژهای فوق به منظور بالا بردن مقاومت به خزش در دماهای بالا بوده در ضمن، انجام عملیات حرارتی نرمال و تمپر کردن نیز موجب افزایش استحکام میشود.

فولاد T11 مقادیر میانگین 1.25% کرم و .5% مولیبدن را شامل میشود. خواص مکانیکی این آلیاژ در دمای محیط و دمای بالا تحت عملیات حرارتی نرمال کردن (950 درجه سانتیگراد) و تمپر کردن در دمای (650 درجه سانتیگراد) به شرح زیر میباشد.

 

دمای آزمایشo C / خواص مکانیکی

استحکام کششی      MPa

تنش تسلیم

MPa

ازدیاد طول نسبی

کاهش سطح مقطع

20

569

352

26

57

100

519

319

25

57

200

517

331

20

50

300

514

311

18

47

400

517

298

20

49

500

454

263

60

60

 

فولاد T22 حاوی میانگین2.25% کرم و 1 درصد مولیبدن میباشد. در مواردی که قطعات در دمای بالا تحت تنش قرار میگیرند نسبت به فولادهای T11 کاربرد بهتری دارند. خواص مکانیکی این آلیاژ در دمای محیط و دمای بالا تحت عملیات حرارتی نرمال کردن(900 درجه سانتیگراد) و تمپر کردن (650 درجه سانتیگراد) به شرح زیر میباشد.

      دمای آزمایشo C / خواص مکانیکی

      استحکام کششی      MPa

تنش تسلیم  MPa

ازدیاد طول نسبی

کاهش سطح مقطع

20

663

500

19.5

64

100

605

460

19

62

200

580

455

17

58

300

575

460

14

54

400

520

420

16

54

 

پایداری این فولادها حداکثر تا دمای 565 درجه سانتیگراد بوده که نسبت به فولادهای T11 از دمای کاربردی بالاتری برخوردار میباشد و در صورتی که مقاومت در برابر خوردگی و خزش در درجه حرارتهای بالا مد نظر باشد استفاده از این فولادها مناسب تر است.

مساله اصلی در استفاده از مواد فوق شناختن Failure هایی است که ممکن است دچار آن گردند. تیوبهای فوق تحت چندین مکانیزم از جمله  Corrosion (Pitting & Erosion) , Scc , Hydrogen Damage, Fracture  ) و مخصوصا خزش دچار خسارت و تخریب میگردند.

به منظور بررسی مساله خزش میتوان به این موضوع اشاره نمود که استحکام مواد با افزایش دما  کم میشود این موضوع به این خاطر است  که تحرک اتمها با افزایش دما به سرعت زیاد میشود و بر روی فلزاتی که در دمای بالا کار میکنند تحت تاثیر این مساله تغییراتی رخ میدهد. فلزی که تحت بار ثابت در دمای بالا قرار دارد، خزش کرده و افزایش طولی که در آن ایجاد میشود با زمان مرتبط است. مشخصه تغییر شکل در دمای بالا ناهمگنی بیش از حد است. بطور کلی برای بالا بردن مقاومت به خزش آلیاژها میتوان از عوامل ایجاد خزش نظیر لغزش مرز دانه جلوگیری کرد. اضافات آلیاژی بصورت رسوبهای ریز و پراکنده برای ازدیاد مقاومت به خزش ضروری اند. مساله ای که در خزش مهم به نظر میرسد تخمین عمر باقیمانده تیوب میباشد. این امر با استفاده از منحنی های استاندارد انجام پذیر است. شکل 1 منحنی Log S را بر حسب LMP نشان میدهد.

 

شکل1) لگاریتم تنش بر حسب پارامتر لارسون میلر در فولاد SA-213 Grade T22 .

 

LMP= (T+460) (20+Log t) که در آن  T(O F) و t(hr) زمان کاری بوده  S=PDM /2W  که با داشتن فشار کاری، ضخامت و قطر تیوب میتوان در مورد استفاده از تیوب تصمیم گیری کرد شکل سه ناحیه را شامل میشود ناحیه مینیمم، متوسط و ماکزیمم. با استفاده از مقادیر بدست آمده از LMP , logs ناحیه مورد نظر مشخص میشود، نواحی بالای خط ماکزیمم میبایست از کار خارج شوند و درنواحی زیر خط مینیمم میتوان با خیال راحت از تیوبها استفاده کرد. در بقیه موارد و در نواحی مابین خطوط فوق استفاده از تیوبها با در نظر گرفتن شرایط کاری و زمان بهره برداری سنجیده میشود.   

باید به این نکته مهم نیز توجه داشت که جهت ممانعت از افزایش درجه حرارت تیوب های سوپر هیتر، همیشه می بایست جریانی از بخار درون تیوب ها که از فولاد و یا از آلیاژی مختلف ساخته می شوند عبور نمایند. بهرحال اعمال درجه حرارت بیشتر از درجه حرارت طراحی در مورد تیوب ها منجر به گرم شدن فوق العاده و  کاهش عمر مفید لوله ها و در نهایت پارگی تیوب ها خواهد گردید.

طراحی سوپر هیترها می بایست بر اساس تبادل حرارتی تابشی، انتقالی و یا مجموعه ای از هر دو باشد. سوپر هیتر های نوع انتقالی در مسیر گازهای داغ قرار داده در حالی که نوع تابشی آن در داخل و یا نزدیک به کوره قرار داشته و از طریق تابش حرارت مورد نیاز خود را خواهد گرفت. طراحی سوپر هیترها در دیگ های بخار امروزی، بصورت آویزان و غیر قابل تخلیه می باشد. به هنگام خارج شدن دیگ بخار از عملیات مقداری آب مقطر از باقیمانده بخار در پایین زانو ها جمع    می شود.آب مقطر موجود به هنگام راه اندازی دیگ بخار می بایست مجدداً تبخیر و از طریق مجرای خروجی بخار به فضا فرستاده شود .به هنگام توقف های کوتاه مدت ویا طولانی مدت و یا در زمان تمیز کردن می بایست سوپر هیترها را با آب اکسیژن زدایی شده و عاری از مواد معدنی پر شوند.

استفاده از آبهای دیگر که حاوی املاح می باشند به علت عدم تخلیه به هیچ وجه توصیه نمی گردد زیرا تمیز کردن سوپر هیترها از رسوبات تقریباً عملی نبوده و تاثیر اعمال آب با فشار قوی و شستشوی شیمیایی تقریباً بی فایده است.

در صورت نگهداری دیگ بخار بصورت تر و حفاظت سوپر هیترهای غیر فعال غیر قابل تخلیه، ضروری است نسبت به پر کردن با آب مقطر و یا آب عاری از کاتیون ها و آنیون ها که هوازدایی شده اند اقدام نمود. مواد شیمیایی مصرفی در این مورد شامل هیدرازین می باشد. ) 200 ppm با pH = 10 (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( پارگی تیوب های سوپر هیتر)

سوپر هیتر های اولیه و ثانویه هر کدام شامل 26 ردیف می باشند که هر ردیف شامل 12 تیوب بصورت ستونی و دنباله دار است. این تیوبها در دو قسمت عمودی جهت جلوگیری از تنشهای ناشی از انبساط و انقباض های حرارتی (Thermal Expansion) دارای ساپورت های لغزشی

(Sliding Support) می باشند.

شرح مشاهدات بازرسی:

در بازرسی Visual Inspection (VI) ازسوپرهیترهای اولیه وثانویه پیچیدگی و انحراف درتیوب های سوپر هیترهای ثانویه به وضوح مشاهده شد. مشاهدات بازرسی از هر دو مجموعه از تیوبها به شرح ذیل می باشد:

*   سوپر هیتر های اولیه:

در بازرسی سوپر هیتر های اولیه اولین گام به صورت بازرسی چشمی، پیچیدگی و بریدگی در تیوب ردیف 6 از سمت شمال ( سمت چپ تیوب های Water Wall) محرز بود. وضعیت بقیه ردیف ها به شرح ذیل می باشد:

 

First Super heater Rows Condition

توضیحات

وضعیت

ردیف

توضیحات

وضعیت

ردیف

 

خوب

14

 

خوب

1

 

خوب

15

 

خوب

2

 

خوب

16

Loopیک تیوب 3 انحراف به ردیف 2

بدتر

3

 

خوب

17

 

خوب

4

انحراف کامل به 19

بدتر

18

 

خوب

5

تماس با 18 و کاهش ضخامت Bend لوپ اول

بدتر

19

کامل موجود نیست

بدتر

6

کاهش ضخامت Loop اول

بدتر

20

Loop یک تیوب 2 انحراف

بد

7

انحراف به 20

بد

21

کاهش ضخامت زانوی Loop یک و انحراف به 9

بدتر

8

 

خوب

22

اثر ضربه در زانوی Loop یک

بد

9

کاهش ضخامت Loop اول

بدتر

23

 

خوب

10

 

خوب

24

 

خوب

11

کاهش ضخامت Loop اول

بدتر

25

Loop یک تیوب 2و3 انحراف

بد

12

2 اینچ انحراف به سمت Riser

بد

26

انحراف به 12

بدتر

13

نتایج ضخامت سنجی و سختی سنجی از تیوبهای مرحله اول درجدول پیوست (First Record Table) می باشد.

 

 

 

*            سوپر هیتر های ثانویه:

در بازرسی از سوپر هیتر های ثانویه در قسمت فوقانی ساپورت های لغزشی آنها به دلیل شکستگی و سایش و در قسمت تحتانی در محل خم شدن تیوب ها (Bending) به دلیل اشکالاتی همچون Crack, Bulging و Hot Spot و پیچیدگی تیوب ها در یکدیگر و انحراف از امتداد ستون های خود نیاز مبرم به تعویض دارند. وضعیت ردیف های  سوپر هیتر های ثانویه در جدول ذیل آمده است:

Final Super heater Rows Condition

توضیحات

وضعیت

ردیف

توضیحات

وضعیت

ردیف

 

خوب

14

اثر سنگ زدگی بالای خط جوش

بد

1

 

خوب

15

 

خوب

2

Loopیک Bendدو Bulging. Loopدو Bend یکBulging. LoopدوBendدو سوراخ.ترمیمSupport مربوط بهLoopسوم

بدتر

16

ترمیم Support

خوب

3

کاهش ضخامت

بد

17

Loopیک Bend دو انحراف

Loop دوBend یک انحراف

Loop سه کاملا به طرف ردیف پنج منحرف شده

بدتر

4

Loop1و2و3 انحراف و کندگی Support

بدتر

18

انحراف

بد

5

انحراف کامل و برخورد با 18کندگی Support

بد

19

Hot Spot  لوپ 2و3Bend یک

بدتر

6

Loopیک تیوب 3 انحراف شدید.

Loopسه انحراف و کندگی