بویلر یا دیگ بخار(Boiler)عبارت است از یک مخزن بسته که در آن بخار آب، جهت استفاده در خارج از آن توسط گرمای ناشی از احتراق سوخت تولید می‌شود. داخل دیگ بخار شامل دو بخش طرف آتش و طرف آب است. سطح گرمایی دیگ بخار، به تمامی سطوح دیگ در طرف آتش آن گفته می‌شود. در حالت کلی بویلر یک مخزن تحت فشار است که در آن سیال به درجه حرارت موردنظر رسیده و مورد استفاده قرار میگیرد.
تمام بخش‌های داخلی و تحت فشار یک دیگ بخار از آلیاژهای آهنی ساخته می‌شوند. دیگهای بخار از نظر نوع جنس به دو دسته چدنی و فولادی تقسیم‌بندی می‌شوند. دیگ بخار چدنی برای تولید بخار کم فشار ساخته می‌شود که البته اکثر دیگهای بخار از نوع فولادی هستند.
دیگهای بخار منبع انرژی مفید برای چندین قرن بوده است. با یک راه‌اندازی ساده، آب و گرما را برای تولید بخار تحت فشار ترکیب می‌کند که به آسانی برای گرم کردن داخل ساختمان، موتورهای تأمین انرژی و مصارف دیگر به کار می‌رود. انواع بسیاری از دیگهای بخار وجود دارد و هر کدام به منظور خاصی استفاده می‌شوند. این ماشین‌های قدرتمند در حالیکه ایمن هستند ولی دارای خطراتی از جمله آتش‌سوزی و انفجار هستند.
تاریخچه
جیمز وات مخترع اسکاتلندی که اغلب از او به عنوان مخترع ماشین بخار یاد می‌شود چهره اصلی انقلاب صنعتی است. وات در واقع اولین سازنده ماشین بخار نیست. هرو او آلکساندریا در قرن اول میلادی ابزارهای مشابهی را توصیف کرده بود. در سال ۱۶۹۸ توماس ساوری ماشین مشابهی را به ثبت رساند که برای تلمبه کردن آب از آن استفاده می‌شد و در ۱۷۱۲ توماس نیوکومن نوع پیشرفته‌تری از آن را به ثبت رساند. با وجود این ماشین ساخته شده توسط نیوکومن کارایی بسیار کمی داشت و آن را فقط برای خارج کردن آب از معادن زغال سنگ به کار می‌گرفتند. وات با اینکه فقط یک دوره کارآموزی یکساله را در زمینه ابزارسازی گذرانده بود ولی از استعداد ابداع و نوآوری فراوان برخوردار بود. وی در سال ۱۷۶۴ هنگامی که مشغول تعمیر یک مدل از ماشین‌های نیوکومن بود به ماشین بخار علاقه‌مند شد. وات اصلاحاتی آنچنان مهم و ارزنده در ماشین اختراعی نیوکومن به عمل آورد که می‌توان او را مخترع اولین ماشین بخار دانست. اولین تغییر مهم وات که در سال ۱۷۶۹ به ثبت رساند اضافه کردن یک محفظه جداگانه تراکم بخار بود. او همچنین با عایق‌بندی، سیلندر بخار را مجزا کرد و در سال ۱۷۸۲ ماشین دوطرفه را اختراع نمود. تمام این‌ها همراه با چند فقره تغییرات و اصلاحات کوچک‌تر به کارایی بیشتر ماشین‌های بخار منتج شد. این ازدیاد کارایی عملاً به معنای تفاوت بین یک ابزار ماهرانه ولی نه چندان قابل استفاده با وسیله‌ای با توان صنعتی فراوان بود. وات در سال ۱۷۸۱ با اختراع یک سری چرخ‌دنده حرکت تناوبی موتور را به حرکت دورانی تبدیل کرد. با استفاده از این ابزار بر موارد استفاده از موتور بخار به شکل چشمگیری افزوده شد. وات که خود فاقد استعداد لازم در کارهای تجاری بود، در سال ۱۷۷۵ به اتفاق ماتیو بولتون که مهندسی چیره‌دست و معامله‌گری توانا بود شرکتی تأسیس کرد، طی ۲۵ سال بعد شرکت وات – بولتون تعداد زیادی موتورهای بخاری تولید و به بازار عرضه کرد که در نتیجه ثروت سرشاری نصیب آن دو گردید. در باب اهمیت ماشین بخار مبالغه و گزافه‌گویی نمی‌شود. درست است که بسیاری از اختراعات دیگر در انقلاب صنعتی نقش داشته‌اند؛ ولی هیچ‌یک از آنها به‌تنهایی نمی‌توانستند برای انقلاب صنعتی حیاتی باشند. قبل از آن اگر چه از نیروی آب و باد برای به گردش درآوردن چرخ آسیاب‌ها استفاده می‌شود ولی منبع اصلی نیرو همواره عضلات انسان بود. استفاده از این عامل ظرفیت تولید صنعتی را به کلی محدود می‌کرد. با اختراع ماشین بخار این محدودیت بر طرف شد. پس از آن انرژی بسیار زیادی برای تولید در دسترس بود و مرتباً نیز به میزان آن افزوده می‌شد.
لوله های آب بویلر
برای انتقال آب و بخار بین مخازن بخار و لجن از لوله هایی استفاده می گردد که وظیفه تامین سطوح انتقال حرارت را نیز به عهده دارند . ممکن است در بخش هایی بر حسب نیاز از پره ها و یا بفل هایی بر روی لوله های آب بویلرها را می توان به انواع زیر تقسیم بندی نمود:
1) لوله های پایین رونده یا down comerها :
دسته ای از لوله های بویلر هستند که آب ورودی به مخزن بخار را به مخزن لجن منتقل می نمایند . آنها مستقیما و یا بوسیله یک هدر به این مخازن اتصال یافته اند و در بخش کانوکشن یا جابجایی بویلر قرار دارند .
2) لوله های بالا رونده یا riserها :
این لوله ها در اصل، محفظه احتراق بویلر را تشکیل می دهند، به عبارت دیگر دیگر دیواره ها، کف و سقف محفظه احتراق بویلر توسط رایزرها ساخته شده است. به همین جهت گاهی به رایزرها در صورتیکه در دیواره باشند، wall tube و در صورتیکه در کف باشند ، floor tube گفته می شود.
حد فاصل دو لوله رایزر صفحه ای قرار داده شده است تا از عبور گاز جلوگیری نماید. رایزرها از مخزن لجن شروع شده است تا از عبور گاز جلوگیری نماید. رایزرها از مخزن لجن شروع شده و به مخزن بخار و یا هدرهایی که وارد مخزن بخار می شوند ختم می کردند. آب با حرارت دیدن در رایزرها به سمت بالا حرکت می نماید. گاهی به این لوله ها، تبخیر کننده نیز گفته می شود .
مکانیزم جریان آب در لوله های پایین رونده و بالا رونده
گردش طبیعی : اساس کار سیستم های با گردش طبیعی، اختلاف دانسیته یا همان جرم حجمی در لوله های بالارونده و لوله های پایین رونده می باشد که به واسطه اختلاف دمای آب در لوله ها بوجود می آید. آبی که به مخزن بخار وارد میگردد نسبت به آبی که در آن جا قرار دارد، سردتر است. از این رو دانسیته بیشتری نسبت به آب گرم درون مخزن بخار دارد.
لذا قبل از اینکه کاملا با آب گرم شده ،مخلوط گردد ،از طریق لوله های پایین رونده به سمت مخزن پایینی یا مخزن لجن حرکت می نماید و از آن جا وارد لوله های بالارونده شده و در معرض تابش شعله قرار می گیرد.
بخشی از این آب در همین لوله های بالارونده به بخار تبدیل می گردد و مجددا وارد مخزن بخار می شود.
گردش اجباری :مواقعی که از یک پمپ یا به عبارتی از یک نیروی خارجی، برای ایجاد گردش آب در لوله های پیین رونده و بالارونده استفاده گرد ، گردش آب در بویلر را گردش اجباری یا مثبت می گویند. از مزایای این نوع گردش می توان به سرعت بیشردر تولید بخار، ظرفیت بیشتر جهت کنترل نوسانات بار، حرارت دادن به شکل یکنواخت تر در قسمت های مختلف و غیره اشاره نمود. از طرفی وجود یک پمپ برای ایجاد گردش سبب افزایش هزینه های عملیاتی و نگهداری می گردد. در این عمل استفاده از گردش طبیعی متداولتر است.
سوپرهیترها
در بویلرها ،برای تولید بخار سوپرهیت ، بخار اشباع به دست آمده از مخزن بخار، در قسمتی به نام سوپرهیتر که نوعی مبدل حرارتی بوده و عموما در ابتدای قسمت جابجایی بویلر قرار دارد، حرارت جذب می کند تا در شرایط فشار ثابت دمای آن افزایش یابد. بخار می تواند در شرایط فشار یا حجم ثابت از حالت اشباع به حالت سوپرهیت تبدیل شود و دماهای مختلفی بالاتر از دمای اشباع داشته باشد.
دی هیترها
عموما واحدهای مصرف کننده ، نیاز به بخاری با دما و فشار مشخص دارند ، از این رو باید بخار خروجی از واحد بویلر با دما و فشار کنترل شده تحویل گردد . برای این منظور از بخشی به نام متعادل کننده و یا دی سوپرهیتر استفاده می گردد ، البته گاهی به آن ری هیتر نیز می گویند . روش های مختلفی برای کنترل دمای بخار سوپرهیت وجود دارد ، عموما این عمل با تزریق آب به بخار خروجی را به دمای مورد نظر برساند .
در بویلرهایی که دارای یک مرحله سوپرهیتر می باشد ، این بخش بعد از سوپرهیت کننده قرار می گیرد ، و در بویلرهای با دو مرحله سوپرهیتر این بخش در بین دو مرحله سوپرهیت قرار می گیرد .
مکانیزم یا ساز و کار
آب ورودی به واحد بویلر ابتدا به دستگاهی به نام هوازدا یا دی اریتور وارد می شود. چرا که گازهای نامحلولی مانند اکسیژن و دی اکسید کربن سبب ایجاد خورندگی در لوله های بویلر می گردد ، از این رو باید این گازها را از جریان آب بویلر حذف نمود.
با توجه به اینکه حلالیت بسیاری از گازها از جمله اکسیژن در آب با بالا رفتن دما کاهش می یابد، یکی از روش های حذف گازها این گازهای حل نشده از آب ، حرارت دادن آن است. در دی اریتور فرآینده حذف این گازهای حل نشده و خورنده یک فرآیند فیزیکی و بر اساس گرما دادن می باشد.
با اینکه روش هواگیری مقادیر زیادی از گازهای حل نشده از آب را جدا می کند ولی بازهم مقدار کمی اکسیژن در آب باقی می ماند که باید با روش های شیمیایی جدا گردد.
این دو مراحله یعنی حرارت دهی و تزریق مواد شیمیایی برای جداسازی گازهای نامحلول در آب، در این دستگاه صورت می پذیرد. پس از دی اریتور، آب هواگیری شده توسط پمپ های خوراک به سمت بویلر ارسال می گردد. در اولین بخش آب وترد اکونمایزر می گردد.
ممکن است در بعضی از بویلرها بخشی به نام اکونومایزر وجود نداشته باشد که در این صورت آب مستقیما به مخزن بخار وارد می گردد. از نکات مهم در اکونومایزر این است که اولا نباید آب ورودی به بویلر در اکونومایزر به جوش آید چرا که در این صورت هیچ آبی وارد مخزن بخار و لوله های بویلر نمی گردد و این بخش ها در برابر گرمای زیاد آسیب می بینند و ثانیا با جذب حرارت زیاد از دودکش و در صورتی که دمای جریان گاز دودکش از نقطه شبنم گاز کمتر می گردد، مقداری از جریان گاز به شکل مایع درآمده و امکان تولید کاسیدی فراهم می گردد که در نهایت سبب خوردگی و فرسودگی خواهد گردید .
بعد از این مرحله آب به مخزن بخار یا steam drum وارد می شود. در مخزن بخار، آب ورودی به بویلر از طریق لوله های پایین رونده یا down comer ها به سمت مخزن لجن یا mud drum ها می رود. از آنجا جریان آب وارد لوله های بالارونده یا riser ها می گردد. این لوله های بالارونده هستند که بخش های مختلف کوره شامل دیواره ها، کف و سقف را می سازند. مشعل ها نیز در محفظه احتراق قرار دارند .
آب در لوله های بالارونده گرمای زیادی را دریافت نموده و بخشی از آن تبدیل به بخار می گردد. مخلوطی از آب و بخار مجددا وارد مخزن بخار شده و در آنجا دو فاز بخار و آب از طریق عبور از مراحل جداکننده آب و بخار از یکدیگر جدا می شوند.
فاز بخار پس از عبور از مراحل مختلفی که برای جداسازی ذرات آب از بخار در درون مخزن بخار در نظر گرفته شده اند ، از آب جدا شده و از طریق خطی جداگانه و خروجی های بالای مخزن بخار، وارد یک خروجی بخار می گردد. فاز مایع مجددا برای تبدیل شدن به بخار، مسیر قبلی را از لوله های پایین رونده، مخزن لجن، لوله های بالارونده و ورود مجدد به مخزن بخار طی می کند . بخار خروجی از مخزن بخار بصورت بخار اشباع می باشد.
در صورتی که نیاز به بخار سوپرهیتر باشد، بخار تولید شده را وارد بخش سوپرهیتر می کنن . بخار اشباع در سوپرهیترها بوسیله گازهای حاصل از احتراق ،گرم شده و به شکل سوپرهیت در می آیند. سوپرهیترها سبب حذف ذرات رطوبت از بخار و افزایش دمای آن به دماهای بالاتر از اشباع می گردند. ممکن است سوپرهیترها یک یا دو مرحله ای باشند.
در سوپرهیترهای یک مرحله ای بعد از سوپرهیتر و در سوپرهیترهای دو مرحله ای در بین مراحل قسمتی به نام دی هیتر یا ری هیتر وجود دارد . در این مرحله دمای بخار سوپرهیتر عموما بوسیله تزریق آب کنترل می گردد . بخار خارج شده از سوپرهیترها در انتهاوارد هدری به نام هدر در جمع کننده یا collect header می گردد. این هدر محصول واحد بویلر که همان بخار با دما و شرایط مورد نظر است را به سمت مصرف کننده ها می برد .
انواع دیگ بخار
در بویلر نوع Fire tube لوله‌های جریان که از مقداری لوله موازی و متصل تشکیل شده در معرض گازهای حاصل از کوره قرار داده می‌شوند. سپس لوله‌ها از میان بدنه بویلر که آب تغذیه را هم شامل می‌شوند گذر می‌کنند که در نتیجه توسط آب پوشیده می‌شوند.
در یک بویلر نوع Water tube شرایط برعکس نوع Fire tube است.
دیگ لوله آبی
همگام با توسعه صنعت در قرن گذشته، استفاده از دیگهای بخار با فشار بالا ضرورت پیدا کرد و بنا به دلایلی، گاهی نیز انفجارهای مصیبت باری به همراه داشته‌است. آن روزها دیگهای بخار شامل ظروف تحت فشار با قطرهای زیادی بود که تحت فشار داخلی، دچار تنشهای انبساطی در دیواره‌های این ظروف می‌گردید. مقدار این تنش به نام تنش حلقه‌ای معروف است. بهترین راه برای جلوگیری از بروز این مشکل کاهش قطر ظرف تحت فشار است که این امر اساس کار دیگهای لوله– آبی است. در این دیگ‌ها آب، درون لوله‌ها جاری است و گازهای داغ در سطح خارجی لوله‌ها جریان دارند. دیگهای لوله آبی متشکل از ظروفی به نام درام هستند که توسط لوله به یکدیگر متصل شده‌اند. آب در درون لوله‌ها گردش کرده و گازهای داغ از اطراف لوله‌ها عبور می‌کنند. مهم‌ترین مزیت دیگهای لوله آبی آزادی در افزایش ظرفیت ساخت آنهاست. دیگهای لوله آبی می‌توانند تا ظرفیت نیم تن در ثانیه بخار با فشار ۱۶۰ اتمسفر و دمای۵۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید کنند. البته دیگهای لوله آبی به صورت پکیج و در ابعاد کوچک‌تر نیز ساخته می‌شوند که در صنایع نفت و پتروشیمی کاربرد فراوان دارند.
دیگ لوله آتشی
این نوع دیگهای بخار معمولاً، شامل بدنه اصلی، صفحه – لوله‌های جلو و عقب، کوره و اتاقک برگشت می‌باشد که پس از مونتاژ و جوشکاری ابتدا کامل مورد آزمایش‌های غیر مخرب (پرتونگاری، اولتراسونیک، مایع نافذ و…) قرار گرفته و سپس عملیات تنش‌گیری آنها در کوره مخصوص انجام میگیرد.
دسته‌بندی بویلرها
بویلرها بر حسب تعداد مسیری که گازهای ناشی از احتراق طی می‌کند تا وارد دودکش شوند به چند دسته تقسیم می‌شود.
- تک پاس: نسل اول بویلرهای زغال سنگ سوز لوکوموتیوهای بخار از این نوع بوده‌اند که در آنها گازهای ناشی از احتراق مسیر دیگ را یک بار طی می‌کند و بعد وارد دودکش می‌شود. این نوع از بویلرها دیگر ساخته نمی‌شوند.
- دو پاس: (برای تولید آب‌گرم) گازهای ناشی از احتراق مسیر دیگ را دو بار طی می‌کند و بعد وارد دودکش می‌شود.
- کوره برگشتی: گازهای ناشی از احتراق مسیر کوره را دوبار طی می‌کند و سپس به پاس لوله‌ها منتقل شده و به سمت دودکش حرکت می‌کند. راندمان بویلرهای کوره برگشتی از بویلرهای دو پاس بیشتر است.
- سه پاس: (برای تولید آب‌گرم و بخار) گازهای ناشی از احتراق مسیر دیگ را سه بار طی می‌کند و بعد وارد دودکش می‌شود.
- چهار پاس: دیگهای ۴ پاس صرفاً برای تولید بخار در تناژ بالا تولید می‌شود. گازهای ناشی از احتراق مسیر دیگ را چهار بار طی می‌کند و بعد وارد دودکش می‌شود.
تصفیه آب بویلر بخار
به سه دلیل عمده آب بویلر مورد تصفیه قرار می گیرد ، این دلایل عبارتند از :
1) جلوگیری از تشکیل ،رسوب
2) به حداقل رساندن خوردگی در سیستمهای بویلر و بخار
3) حفظ کیفیت بخار
اصولا فرآیندهای تصفیه آب بویلر شامل دو دسته تصفیه خارجی و داخلی می باشد. در تصفیه خارجی کارهایی چون حذف ذرات سوسپانسیونی، حذف گازهای حل نشده ای مانند اکسیژن و سختی گیری از آب صورت می گیرد.
در انتهای بخش تصفیه خارجی باید مقادیر سختی، مقدار سولفات ها ، سیلیکات و ذرات سوسپاسیونی موجود در آب در کمترین مقدار خود باشند. مقدار مجاز این ترکیبات توسط انجمن سازندگان بویلر در آمریکا یا ABMA تعیین و ارائه شده است، همانگونه که مشاهده می نمایید، مقدار این پارامترها در فشار های مختلف فرق می کند .
در کل هرچه فشار و دمای عملیاتی بویلر بالاتر باشد ،باید در تصفیه آب ورودی به بویلر سختگیرانه تر عمل نمود، چراکه ناخالصی های موجود اثرات شدیدتری بر بویلر می گذارند. به عنوان مثال، مقدار مجاز سیلیکات در فشار200 Psi در حدود 125 Ppm و در فشار 800 Psi در حدود 20 Ppm می باشد. یعنی با افزایش فشار مقدار مجاز سیلیکات درآب بویلر کاهش یافته است.
پارامترهای موثر بر راندمان بویلرها
پارامترهاي كليدي كه در راندمان بويلر موثر مي بند، به قرار زيرند:
۱-دماي گاز خروجي
۲-تعداد چرخش دود در بويلر
۴-هواي اضافي
۵- تلفات تابشي و كنوكسيوني
۶-تركيبات سوخت
۷- دماي محيط
۸- مطابق مشعل با بويلر
مراحل تعمیر بویلر
1– دیگ را خاموش می کنیم و شیر فلکه اصلی گاز دیگ را کامل میبندیم .
2- اگر دیگ آب گرم باشد شیر فلکه ورودی و خروجی دیگ را میبندیم .و مقداری از آب آنرا تخلیه میکنیم تا از فشار بیافتد .
3- اگر دیگ بخار باشد :
الف) اگر یک دیگ در مدار داریم اجازه می دهیم بخار آن تمام شده و از فشار بیافتد .
ب) اگر با دیگ های در یک مدار باشد بهتر است تمام دیگ ها را خاموش کنیم و بعد از افت فشار شیر فلکه خروجی دیگ را کامل ببندیم .
الان آماده ایم که درهای جلو و عقب دیگ را باز کنیم اما با توجه به اینکه درها سنگین هستند و کثیف کاری زیاد دارند بهتر است که از کفش کار و لباس کار و دستکش کار مناسب استفاده کنیم .
4- بعد از باز کردن پیچ و مهره دربهارا به آرامی به طرفین باز کنید چرا که احتمال دارد به دلیل سنگینی یا خراب بودن لولا درب به پایین سقوط کند .
5- اگر برای تمام کردن کار عجله دارید آب داخل دیگ را کاملا خالی کرده و با آب سرد آن را پر کنید .
6- اگر عجله در کار نیست اجازه دهید دیگ به آرامی خنک شود.
جهت تعمیرات نشتی آب از دیگ لازم هست که چند استاندارد را یاد بگیریم:
الف) استاندارد تست هیدرو استاتیک دیگ
ب) استاندارد فلزات به کار رفته در دیگ
ج) استاندارد جوشکاری
کاربردهای مختلف بویلر
دیگ بخار یا بویلر کاربردهای مختلفی دارد. تأمین گرمایش مورد نیاز صنایع گوناگون از جمله تولید مواد غذایی، گلخانه‌ها، مرغداری‌ها، سالنهای پرورش قارچ و … یکی از اصلی‌ترین موارد استفاده از بویلر می‌باشد. مورد دیگر استفاده به عنوان تمیز کننده و ضدعفونی کننده است که اغلب بیمارستانها، هتل‌ها و رستورانها، فروشگاه‌های بزرگ و کوچک، معابر شهری و صنایعی مانند کاغذ سازی و تولید پلاستیک را می‌توان نام برد. همچنین از بخار برای چربی زدایی در کارخانجات تولید قطعات صنعتی و ماشین آلات استفاده زیادی می‌شود. در خیلی از صنایع بزرگ علاوه بر کاربرد گرمایشی از نیروی محرکه بخار برای تأمین انرژی مولد و الکتریسیته استفاده می‌شود. پالایشگاه‌ها از جمله این موارد می‌باشند. به‌طور خلاصه موارد زیر را می‌توان از جمله استفاده‌کننده‌های بویلر و دیگ بخار به‌شمار آورد:
- پالایشگاه‌ها
- کارخانجات تولید قطعات صنعتی
- کارخانجات خودروسازی
- تولید بتن
- رنگرزی نخ مورد نیاز جهت فرش و پارچه
- تولید رب گوجه فرنگی
- صنایع شیر و فرآورده‌های لبنی
- تولید نبات و آب نبات و شکلات
- تولید کیک و کلوچه و نان
- کیورتینگ بتن
- صنایع سلولوزی و تولید کاغذ
- مرغداری و دامداری‌ها
- سالنهای تولید قارچ
- صنایع لاستیک سازی
- صنعت شستشو از جمله کارواش‌ها، معابر شهری، ناوگان حمل و نقل عمومی (هواپیما، قطار، متروشهری، اتوبوس و …)
