جوش آورها (بویلرها)

جوش آورها (بویلرها)

 

شرح وتوصيف

جوش آور محفظه ايست كه با تغذيه آب به درون آن به كمك يك منبع گرمايي به طور پيوسته بخارتوليد ميكند. در طرحهاي اوليه جوش آورها پوسته اي ساده با يك لوله تغذيه و يك خروجي بخار بودكه روي آن با آجر پوشيده ميشد. سوخت در داخل پوشش ديگ سوزانده ميشد، سپس جوش آورهايي طراحي شد كه درآن آب از درون لوله ها و آتش از بيرون آن عبور ميكرد. امروزه اجزاي اصلي جوش آور را ميتوان به صورت زير نام برد:

  1. ديگ بخار (Steam Drum): ظرف استوانه اي بزرگيست كه به طور افقي كارگذاشته ميشود. درون نوع تكامل يافته آن تعداد زيادي جدا كننده آب وبخار(Separator) وجود دارد.
  2. كوره (furnace): محفظه ايست كه نفت كوره يا گاز طبيعي در آن ميسوزد.
  3. مشعل (Burner): وسيله ايست كه براي سوزاندن نفت كوره ويا گاز طبيعي در مجاورت هوا در محفظه احتراق بكار ميرود.

عموماً جوش آور را بويلر يا ديگ بخار نيز مينامند. ما در اين متن از لفظ جوش آور استفاده ميكنيم.

 

نماي كلي يك جوش آور

نماي كلي يك جوش آور

 

آبي كه قراراست در جوش آور بخارشودقبلاتحت عمل هوازدايي توسط هيدرازين يا سايرموادشيميايي قرارميگيرد. زيرا اگر حبابهاي هوا در اين آب وجود داشته باشد حجم مفيد آن كاهش ميابد ونتيجتاً داراي كاهش تبادل حرارت هستيم علاوه بر اين امكان خوردگي در سيستم افزايش پيدا ميکند . عمليات ديگري كه قبل از ورود آب به جوش آور بر روي آن انجام ميشود پيش گرم كردن آن است. اين كار براي بالا بردن راندمان سيستم انجام ميشود و به اين ترتيب است كه آب قبل از ورود به جوش آور وارد محفظه اي به نام اكونومايزر ميشود. اكونومايزر در واقع مبدل پوسته و لوله ايست كه توسط دود خروجي ازكوره آب را گرم ميكند. به ابن صورت كه دود قبل از ورود به دودكش از اكونومايزر گذشته و سيال را گرم ميكند سپس از طريق دودكش به محيط فرستاده ميشود.

تقسيم بندي جوش آورها

جوش آورها را ميتوان از ديدگاههاي مختلف تقسيم بندي نمود. چند نوع از اين تقسيم بنديها بطور خلاصه در زيرآورده شده است. نحوه كار بعضي از انواع رايج اين جوش آورها در صفحات بعد توضيح داده خواهد شد.

تقسيم بندي براساس جهت محور پوسته (عمودي يا افقي)
تقسيم بندي براساس نحوه استفاده از آن (ثابت يا قابل حمل)
تقسيم بندي براساس وضعيت كوره
تقسيم بندي براساس وضعيت نسبي آب و گازهاي داغ (Water tube & Fire tube)

به جوش آورهايي كه آب داخل لوله جريان داشته باشد لوله آبي (Water tube) گفته ميشود. دسته ديگر كه گازهاي داغ داخل لوله جريان دارد به جوش آورهاي لوله دودي (Fire tube) معروف ميباشند. به علت اينكه اين جوش آورها متداول ميباشند درباره آنها بيشتر به بحث ميپردازيم.

 

نحوه حركت آب، بخار وهوا در يك جوش آور

نحوه حركت آب، بخار وهوا در يك جوش آور

 

جوش آورهاي Fire tube

اين جوش آورها ازسه قسمت ديگ بخار، كوره ومشعل تشكيل شده اند. ساختمان آن بدين صورت است كه ديگ بخارآن بصورت يك دستگاه مبدل حرارتي پوسته ولوله است. اين جوش آوربيشتردرجاهايي كارگذاشته ميشودكه بخواهندازهدررفتن گرماي حاصل ازيك فعل وانفعال جلوگيري كنند(مثل گرماي حاصل ازسوزاندن گوگرد و اكسيژن براي تهيه اسيدسولفوريك).
دراين نوع جوش آورها گازهاي گرم ازدرون لوله هاي ديگ بخارميگذرندوضمن تبادل حرارت باآب داخل پوسته، آب رابه بخارتبديل ميكنند. دريك نوع از جوش آورهاي Fire tube ،ديگ عمودي بالاخشك است. اين جوش آورشامل يك پوسته استوانه اي عمودي حاوي يك آتشدان استوانه اي وتعدادي لوله هاي دودي كوچك است. گرماي ناشي ازعبور آتش ازورقه هاي آتشدان به آب درون ديگ ازطريق تابش انتقال ميابد. گازهاي داغ به سمت بالاوازميان لوله هاي دودبه دودكش ميروندودراين ميان قسمتي ازگرماي خودرابه فلزلوله هاميدهندكه سبب انتقال گرما به آب درون ديگ ميشود. فشاراين نوع جوش آورها بندرت از ۲۰۰psi تجاوزميكند.

مزاياي جوش آورهاي فاير تيوب

هزينه ساخت جوش آورهاي فايرتيوب كمتر از ساير انواع جوش آورها است، علاوه بر اين،جوش آورهاي فايرتيوب با داشتن سطح حرارتي مساوي آب بيشتري نسبت به ساير جوش آورها در ديگ بخار خواهند داشت. ازاين مولدها معمولا براي توليد حجم كم بخار استفاده ميشود.

معايب جوش آورهاي فايرتيوب

قسمتهاي مختلف جوش آورهاي فايرتيوب براي تميزكاري، بازرسي وتعميرات كمتر قابل دسترس است .ظرفيت اين نوع جوش آورها بابالا رفتن فشار و دماي مورد نياز محدوديت پيدا ميكند و به ضخامت جداره بيشتري احتياج دارد در نتيجه با كم و زياد شدن تقاضاي بخار كمتر هماهنگ ميشود، همچنين به دليل اينكه تغييرات درجه حرارت ايجاد تنش هاي زيادي در اجزاي جوش آور مينمايد احتمال انفجار دراين نوع جوش آورها از ساير انواع بيشتر است، لذا ضريب اطمينان كمتري دارند.

 

نمونه يك جوش آور فاير تيوب (fire tube)

نمونه يك جوش آور فاير تيوب (fire tube)

 

جوش آورهاي Water tube

جوش آورهاي Water tube نيزازديگ بخار،كوره ومشعل تشكيل شده اندلكن ازديگ بخارآن لوله هاي زيادي منشعب شده وبه ديگ ته نشين كننده (Mud Drum) وصل ميشودوضع انشعاب لوله هاوقرارگرفتن آنهادركوره به نحويست كه:

  • لوله هايي كه دورترازآتش كوره قراردارندآب راازديگ بخاربه ديگ ته نشين كننده ميبرند، اين لوله هاراپايين بر (Downcomer) ميگويند.
  • لوله هايي كه درمجاورت شعله آتش قراردارندمخلوط آب وبخارآب رابه ديگ بخارميبرنداين لوله هارابالا بر (Riser) مينامند.

برحسب شرايط مختلف جوش آورهاي واترتيوب رابايك،دويابدون ديگ ته نشين كننده ميسازند. سيستم گردش آب درجوش آورهاي واترتيوب ميتواندبه صورتهاي زيرباشد:

  • سيستم گردش طبيعي آب (Natural Circulation): میدانيم سيال باجرم كمترهمواره بالاي سيال باجرم حجمي بيشترقرارميگيرد، اين پديده مبنايي درطراحي سيستم گردش آب جوش آورها است. براين مبنا اغلب لوله هاي انتقال آب وبخار، عمودبرسطح افق نصب ميشوندومعمولایك مخزن جداكننده آب وبخار در بالاي جوش آور قرارداده ميشود. آب توسط لوله هاي پايين بربه پايين جوش آورمنتقل وتوسط لوله هايي بنام هدر درلوله هاي اصلي توزيع ميشود. همزمان آب،گرم شده، جرم حجمي آن كمترشده وبه بالاهدايت ميشود. بنابراين سرعت لازم درجريان آب براساس وزن ستون آب (موجوددرلوله هاي پايين بر) وتفاوت جرم حجمي درلوله هاي اصلي حاصل ميگردد.
  • گردش اجباري كنترل شده (Controlled Forced Circulation): درسيستمهايي كه اثروزن آب درلوله هاي پايين برنتواندبه تنهايي ايجادجريان لازم رانمايدازيك پمپ كمكي هنگام راه اندازي استفاده ميشود.
  • سيستم گردش اجباري (Forced Circulation): دراين سيستم علاوه براستفاده ازاصول گردش طبيعي آب براي بدست آوردن دبيهاي جرمي بالاتر از پمپ استفاده ميكنند.

ساخت وجوه كوره وكانالهاي درمعرض شعله ودودازجنس نسوزوباورقه فلزي،حجم كانال وكوره رازياد كرده وسطح تبادل حرارتي راكم كرده ونيزخوردگي درآن زياداست، باتوجه به اين مسايل، محلهاي درتماس باشعله ودودراازلوله هايي كه آب درآنهاجريان داردميسازند. جريان آب ازبالا رفتن دماي فلزوجداره لوله هاجلوگيري ميكند. درنتيجه ازخوردگي سريع آنهاجلوگيري ميكند.

 

ديواره جوش آور ،لوله هاي در معرض شعله

ديواره جوش آور ،لوله هاي در معرض شعله

 

براساس شكل لوله هاوديواره هاميتوان اين جوش آورها رابصورت زيرتقسيم بندي نمود:

  • جوش آورهاي با لوله هاي مستقيم (Straight Tube Boilers): دراين سيستم تنها از يك دسته لوله هاي مستقيم براي گرم كردن آب استفاده ميشود كه يك صفحه تغذيه كننده را به يك صفحه جمع كننده وصل ميكنند. صفحات تغذيه كننده و جمع كننده توسط لوله هايي به مخزن جداكننده آب و بخار متصل ميشوند.
  • جوش آورهاي با لوله هاي خميده (Bent Tube Boilers): در اين سيستم با دادن خمهايي به لوله ها و قرار دادن آنها به نحو مناسب شكل اتاق احتراق و قسمتي از كانال دود را ايجاد ميكنند، همچنين در مسير عبورگازهاي داغ و دود دست ههايي از لوله هاي خم شده كه به صورت كويل در آمده اند قرار داده ميشوند . اين سيستم در بيشتر جوش آورها مورد استفاده واقع ميشود. استقرار لوله ها درجداره باعث افزايش سطح تبادل حرارتي ميشود.

 

نمونه يك جوش آور واتر تيوب

نمونه يك جوش آور واتر تيوب

 

مزايا و معايب جوش آورهاي واترتيوب

جوش آورهاي واترتيوب از لحاظ ايمني مطمئن ترهستند . زيرا آب در واحد كوچكتري يعني در لوله هااست. كليه قسمتهاي يك جوش آور واترتيوب جهت تميزكاري، بازرسي و تعميرات قابل دسترس است . جوش آورهاي واترتيوب به دليل بزرگي سطح تبادل حرارتي و طولاني بودن مسيرعبورگاز و سرعت چرخش آب سريعتر بخار توليد ميكنند، به همين دليل آنها را ميتوان تحت بار بسيار بيشتري نسبت به سايرين قرار داد. اين جوش آورها با تغييرات ناگهاني وكم و زياد شدنهاي بخار سريعتر هماهنگ ميشوند. با وجود مزاياي ذكرشده اين جوش آورها نسبتاً گران هستند لذا در طرحهاي كوچك معمولاً از جوش آورهاي فاير تيوب استفاده ميشود.

کنترل وكاربرد جوش آورها

ابتدا به بررسي تامين هواي مورد نياز سوخت در كوره ها ميپردازيم، كه اين به دو روش متفاوت صورت ميگيرد:

  • روش استفاده از دمنده (Forced Draft Fan)
  • روش استفاده از مكنده (Induced Draft Fan)

در كوره هايي كه از دمنده استفاده ميشود بايد ساختمان كوره به نحوي باشد كه گازهاي گرم و شعله هاي حاصل از احتراق نتواند به بيرون راه پيدا كند، زيرا فشار كوره كمي بيشتر از فشار جو است . مكنده رادركوره هايي به كار ميبرند كه حجم كوره و تعداد مشعلهاي آن زياد باشد. زيرا با بودن مكنده در كوره، خلاايجاد ميشود و هوا ميتواند از محلهاي معيني وارد كوره گردد. از امتيازات كوره هايي كه با دمنده كار ميكننداين است كه به علت وجود خلا در كوره شعله و گازهاي گرم به خارج راه پيدا نميكند.
در مورد كنترل جوش آورها بايد به نكات زير توجه نمود:

  1. ارتفاع مايع در ديگ بخار يكي از مهمترين چيزهايي است كه بايد به خوبي در هر جوش آوري كنترل گردد. زيرا اگر سطح مايع كم باشد با افزايش توليد امكان، اينكه تمام آب بخار شود زياد است. در چنين وضعي ممكن است كه قسمتهايي از ديگ بخار ذوب شود. از طرف ديگر اگر ارتفاع مايع زياد باشد توليد بخار كاهش ميابد.
  2. مقدار سوخت نيز بايد به خوبي كنترل گردد. چرا كه اگر سوخت كم شود توليد بخار پايين آمده و روند را به هم ميزند. اگر سوخت زياد باشد باعث ازدياد توليد بخار ميشود كه اين خود به كم كردن آب ديگ بخار كمك ميكند.
  3. هوا جهت احتراق بايد كاملا كنترل شود، زيرا كمبود هوا باعث سوختن ناقص هوا و يا نفت كوره ميگردد و بالعكس ازدياد هوا ممكن است باعث خاموش شدن شعله مشعلها گردد.
  4. كنترل مواد شيميايي جهت پيشگيري از خورندگي نيزاز نكات مهم است كه بايد به آن توجه شود.