دیگ بخار یک ظرف بسته است که در آن سیال (به طور کلی آب ) گرم می شود . مایع لزوماً به جوش نمی آید . سیال گرم شده یا تبخیر شده برای استفاده در فرآیندهای مختلف یا کاربردهای گرمایشی، [1] [ صفحه مورد نیاز ] [2] [ صفحه مورد نیاز ] از جمله گرمایش آب ، گرمایش مرکزی ، تولید برق مبتنی بر دیگ بخار ، پخت و پز و سرویس بهداشتی از دیگ خارج می‌شود .
در یک نیروگاه با سوخت فسیلی که از چرخه بخار برای تولید برق استفاده می کند، منبع حرارت اولیه احتراق زغال سنگ ، نفت یا گاز طبیعی خواهد بود . در برخی موارد، سوخت محصول جانبی مانند گازهای خروجی غنی از مونوکسید کربن یک باتری کک می تواند برای گرم کردن دیگ سوزانده شود. سوخت‌های زیستی مانند باگاس ، که از نظر اقتصادی در دسترس هستند نیز می‌توانند استفاده شوند. در یک نیروگاه هسته ای، دیگ های بخار به نام مولد بخار توسط گرمای تولید شده توسط شکافت هسته ای گرم می شوند. در مواردی که حجم زیادی از گاز داغ از برخی فرآیندها در دسترس است، یک مولد بخار بازیابی حرارت یا دیگ بازیابی می تواند از گرما برای تولید بخار استفاده کند، با سوخت اضافی کم یا بدون مصرف. چنین پیکربندی در یک نیروگاه سیکل ترکیبی که در آن از یک توربین گاز و یک دیگ بخار استفاده می شود، رایج است. در همه موارد، گازهای زائد محصول احتراق از سیال کاری چرخه بخار جدا هستند و این سیستم ها را به نمونه هایی از موتورهای احتراق خارجی تبدیل می کند .
مخزن فشار دیگ معمولاً از فولاد (یا فولاد آلیاژی ) یا از نظر تاریخی از آهن فرفورژه ساخته شده است . فولاد زنگ نزن ، به ویژه از انواع آستنیتی ، به دلیل خوردگی و ترک خوردگی ناشی از تنش، در قسمت های مرطوب بویلرها استفاده نمی شود . [3] [ صفحه مورد نیاز ] با این حال، فولاد ضد زنگ فریتی اغلب در بخش‌های سوپرهیتر استفاده می‌شود که در معرض آب جوش قرار نمی‌گیرند ، و بویلرهای پوسته فولاد ضد زنگ با حرارت الکتریکی تحت «دستورالعمل تجهیزات فشار» اروپا برای تولید بخار مجاز هستند. ضد عفونی کننده ها و ضد عفونی کننده ها [4]
در مدل‌های بخار زنده ، معمولاً از مس یا برنج استفاده می‌شود، زیرا در دیگهای سایز کوچکتر به راحتی ساخته می‌شود. از نظر تاریخی، مس به دلیل شکل پذیری بهتر و هدایت حرارتی بالاتر، اغلب برای جعبه های آتش (به ویژه برای لوکوموتیوهای بخار ) استفاده می شد . با این حال، در زمان های اخیر، قیمت بالای مس اغلب این را به یک انتخاب غیراقتصادی تبدیل می کند و به جای آن از جایگزین های ارزان تری (مانند فولاد) استفاده می شود. [ نیازمند منبع ]
برای بسیاری از دوره ویکتوریایی "عصر بخار"، تنها ماده ای که برای دیگ بخار استفاده می شد، بالاترین عیار آهن فرفورژه بود که با استفاده از پرچ مونتاژ می شد . این آهن اغلب از کارخانه‌های آهن‌سازی تخصصی ، مانند آن‌هایی که در منطقه Cleator Moor (بریتانیا) هستند، به‌خاطر کیفیت بالای صفحه نورد آنها ، که مخصوصاً برای استفاده در کاربردهای حیاتی مانند دیگهای فشار قوی مناسب بود، به دست می‌آمد. در قرن بیستم ، عمل طراحی به سمت استفاده از فولاد، با ساخت و ساز جوش داده شده است ، که قوی تر و ارزان تر است، و می تواند با سرعت بیشتری و با کار کمتر ساخته شود. دیگ های فرفورژه بسیار آهسته تر از همتایان فولادی امروزی خود خورده می شوند و کمتر مستعد ابتلا به حفره های موضعی و خوردگی تنشی هستند. این باعث می شود که طول عمر دیگ های فرفورژه قدیمی تر از دیگ های فولادی جوش داده شده بیشتر باشد. [ نیازمند منبع ]
برای مخزن گرمایش آبگرمکن های خانگی می توان از چدن استفاده کرد. اگرچه در برخی از کشورها معمولاً به این بخاری ها "بویلر" می گویند، اما هدف آنها معمولاً تولید آب گرم است نه بخار، و بنابراین با فشار کم کار می کنند و سعی می کنند از جوشیدن جلوگیری کنند. شکنندگی چدن آن را برای دیگ های بخار فشار بالا غیر عملی می کند.
منبع گرما برای دیگ بخار احتراق هر یک از چندین سوخت مانند چوب ، زغال سنگ ، نفت یا گاز طبیعی است . دیگ های بخار برقی از عناصر گرمایش مقاومتی یا غوطه وری استفاده می کنند . شکافت هسته ای همچنین به عنوان منبع گرمایی برای تولید بخار ، به طور مستقیم (BWR) یا در بیشتر موارد، در مبدل های حرارتی تخصصی به نام "مولد بخار" (PWR) استفاده می شود. ژنراتورهای بخار بازیابی حرارت (HRSGs) از گرمای دفع شده از فرآیندهای دیگر مانند توربین گاز استفاده می کنند . [ نیازمند منبع ]
دو روش برای اندازه گیری راندمان دیگ بخار در کد تست عملکرد ASME (PTC) برای دیگهای بخار ASME PTC 4 [5] و برای HRSG ASME PTC 4.4 و EN 12952-15 [6] برای دیگ های لوله آب وجود دارد:
روش مستقیم تست راندمان دیگ بخار قابل استفاده تر یا رایج تر است.
کجا
برای اندازه گیری راندمان دیگ بخار به روش غیرمستقیم به پارامترهایی مانند زیر نیاز است:
بویلرها را می توان به پیکربندی های زیر طبقه بندی کرد:
برای تعریف و ایمن سازی دیگ های بخار، برخی از سازمان های تخصصی حرفه ای مانند انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) استانداردها و کدهای مقررات را توسعه می دهند. به عنوان مثال، آیین نامه دیگ بخار و مخازن تحت فشار ASME استانداردی است که طیف گسترده ای از قوانین و دستورالعمل ها را برای اطمینان از انطباق دیگ ها و سایر مخازن تحت فشار با استانداردهای ایمنی، ایمنی و طراحی ارائه می دهد. [8]
از لحاظ تاریخی، دیگ‌ها منبع صدمات جدی و تخریب اموال به دلیل اصول مهندسی ناشناخته بودند. پوسته های فلزی نازک و شکننده می توانند پاره شوند، در حالی که درزهای جوش داده شده یا پرچ شده ضعیف می توانند باز شوند و منجر به فوران شدید بخار تحت فشار شود. هنگامی که آب به بخار تبدیل می شود، به بیش از 1000 برابر حجم اولیه خود منبسط می شود و با سرعت بیش از 100 کیلومتر در ساعت (62 مایل در ساعت) در لوله های بخار حرکت می کند. به همین دلیل، بخار یک روش کارآمد برای انتقال انرژی و گرما در اطراف یک سایت از یک دیگ بخار مرکزی به جایی است که مورد نیاز است، اما بدون تصفیه مناسب آب تغذیه دیگ بخار، یک کارخانه تولید بخار از تشکیل رسوب و خوردگی رنج می برد. در بهترین حالت، این هزینه‌های انرژی را افزایش می‌دهد و می‌تواند منجر به بخار با کیفیت پایین، کاهش راندمان، عمر کوتاه‌تر کارخانه و عملکرد غیرقابل اطمینان شود. در بدترین حالت، می تواند منجر به شکست فاجعه بار و از دست دادن زندگی شود. ریزش یا جابجایی لوله‌های دیگ بخار نیز می‌تواند بخار داغ و دود را از ورودی هوا و لوله شلیک خارج کند و آتش‌نشانانی را که زغال سنگ را در محفظه آتش بار می‌کنند مجروح کنند. دیگ های بسیار بزرگ که صدها اسب بخار برای کار کارخانه ها فراهم می کنند می توانند به طور بالقوه کل ساختمان ها را تخریب کنند. [9]
دیگ بخاری که آب تغذیه آن کم شده و اجازه داده شده تا خشک شود می تواند بسیار خطرناک باشد. اگر آب تغذیه به دیگ خالی فرستاده شود، آبشار کوچک آب ورودی بلافاصله در تماس با پوسته فلزی فوق‌گرم شده می‌جوشد و منجر به انفجار شدیدی می‌شود که حتی با شیرهای بخار ایمنی قابل کنترل نیست. تخلیه دیگ بخار نیز می تواند اتفاق بیفتد اگر نشتی در خطوط تامین بخار بزرگتر از آن چیزی باشد که منبع آب آرایشی می تواند جایگزین شود، رخ دهد. حلقه هارتفورد در سال 1919 توسط شرکت بازرسی و بیمه دیگ بخار هارتفورد به عنوان روشی برای جلوگیری از بروز این وضعیت و در نتیجه کاهش مطالبات بیمه ای آنها اختراع شد . [10] [11]
هنگامی که آب جوشانده می شود، بخار اشباع شده است که به آن "بخار مرطوب" نیز گفته می شود. بخار اشباع، در حالی که بیشتر از بخار آب تشکیل شده است، مقداری آب تبخیر نشده را به شکل قطرات حمل می کند. بخار اشباع شده برای بسیاری از اهداف مانند پخت و پز ، گرمایش و بهداشت مفید است ، اما زمانی که انتظار می رود بخار انرژی را به ماشین آلات منتقل کند، مانند سیستم محرکه کشتی یا "حرکت" یک لوکوموتیو بخار ، مطلوب نیست . این امر به این دلیل است که دمای و/یا فشار غیرقابل اجتنابی که هنگام حرکت بخار از دیگ به ماشین رخ می دهد باعث می شود مقداری متراکم شود و در نتیجه آب مایع به ماشین منتقل شود. آب وارد شده در بخار ممکن است به پره های توربین آسیب برساند یا در مورد موتور بخار رفت و برگشتی ، ممکن است به دلیل قفل هیدرواستاتیک آسیب مکانیکی جدی ایجاد کند .
دیگهای بخار سوپرهیت آب را تبخیر می‌کنند و سپس بخار را در یک سوپرهیتر گرم می‌کنند و باعث می‌شوند دمای بخار تخلیه‌شده به میزان قابل‌توجهی بالاتر از دمای جوش در فشار کاری دیگ باشد. از آنجایی که " بخار خشک " به دست آمده بسیار داغتر از آن چیزی است که برای ماندن در حالت بخار لازم است، حاوی آب غیر تبخیر نشده قابل توجهی نخواهد بود. همچنین فشار بخار بالاتر نسبت به بخار اشباع امکان پذیر خواهد بود و بخار را قادر می سازد انرژی بیشتری را حمل کند. اگرچه سوپرهیت انرژی بیشتری را به شکل گرما به بخار می افزاید، اما تاثیری بر فشار ندارد، که با توجه به سرعت خروج بخار از دیگ و تنظیمات فشار دریچه های ایمنی تعیین می شود . [12] مصرف سوخت مورد نیاز برای تولید بخار فوق گرم بیشتر از مصرف سوخت مورد نیاز برای تولید حجم معادل بخار اشباع است. با این حال، راندمان انرژی کلی نیروگاه بخار (ترکیبی از دیگ بخار، سوپرهیتر، لوله کشی و ماشین آلات) به طور کلی به اندازه کافی برای جبران افزایش مصرف سوخت بهبود می یابد.
عملکرد سوپرهیتر مشابه کویل های یک واحد تهویه مطبوع است ، هرچند برای هدف متفاوتی. لوله کشی بخار از طریق مسیر گاز دودکش در کوره دیگ هدایت می شود، منطقه ای که دمای آن معمولا بین 1300 تا 1600 درجه سانتیگراد (2372 و 2912 درجه فارنهایت) است. برخی از سوپرهیترها از نوع تابشی هستند که همانطور که از نامشان پیداست گرما را با تشعشع جذب می کنند. برخی دیگر از نوع همرفتی هستند که گرما را از سیال جذب می کنند. برخی ترکیبی از این دو نوع هستند. در هر دو روش، گرمای شدید در مسیر گاز دودکش، لوله‌های بخار سوپرهیتر و بخار درون آن را نیز گرم می‌کند.
طراحی هر نیروگاه بخار فوق گرم به دلیل دما و فشار کاری بالا، چندین چالش مهندسی را به همراه دارد. یکی از مواردی که باید مورد توجه قرار گیرد، ورود آب تغذیه به دیگ است. پمپ مورد استفاده برای شارژ دیگ باید بتواند بر فشار کاری دیگ غلبه کند، در غیر این صورت آب جریان نخواهد داشت . از آنجایی که یک دیگ بخار سوپرهیت معمولاً با فشار بالا کار می کند، فشار آب تغذیه مربوطه باید حتی بیشتر باشد و طراحی پمپ قوی تری را می طلبد.
نکته دیگر ایمنی است. بخار با فشار بالا و فوق گرم در صورت خروج ناخواسته می تواند بسیار خطرناک باشد. برای ارائه دیدگاهی به خواننده، نیروگاه‌های بخار مورد استفاده در بسیاری از ناوشکن‌های نیروی دریایی ایالات متحده که در طول جنگ جهانی دوم ساخته شدند ، با فشار 600 psi (4100 کیلو پاسکال ؛ 41 بار ) و 850 درجه فارنهایت (454 درجه سانتیگراد) فوق‌گرم کار می‌کردند. در صورت پارگی شدید سیستم، خطری همیشه در یک کشتی جنگی در طول نبرد ، آزاد شدن انرژی عظیم بخار فوق گرم فراری که به بیش از 1600 برابر حجم محدود خود افزایش می یابد، معادل یک انفجار مهیب خواهد بود. این اثرات با انتشار بخار در یک فضای محدود، مانند موتورخانه کشتی، تشدید می شود . همچنین، نشتی‌های کوچکی که در نقطه نشتی قابل مشاهده نیستند، می‌توانند کشنده باشند، اگر فردی وارد مسیر بخار خارج شود. از این رو طراحان تلاش می کنند تا اجزای بخار سیستم را تا حد ممکن قدرت بخشند تا یکپارچگی را حفظ کنند. روش‌های خاصی برای اتصال لوله‌های بخار به یکدیگر برای جلوگیری از نشتی استفاده می‌شود، با سیستم‌های فشار بسیار بالا که از اتصالات جوشی استفاده می‌کنند تا از مشکلات نشتی در اتصالات رزوه‌ای یا واشر جلوگیری کنند .
ژنراتورهای بخار فوق بحرانی اغلب برای تولید برق استفاده می شوند . آنها در فشار فوق بحرانی کار می کنند. برخلاف "دیگ زیر بحرانی"، یک مولد بخار فوق بحرانی در چنان فشار بالایی کار می کند (بیش از 3200 psi یا 22 مگاپاسکال) که اغتشاش فیزیکی که مشخصه جوش است رخ نمی دهد. سیال نه مایع است و نه گاز بلکه یک سیال فوق بحرانی است. تولید حباب های بخار در آب وجود ندارد، زیرا فشار بالاتر از نقطه فشار بحرانی است که در آن حباب های بخار می توانند تشکیل شوند. همانطور که سیال در مراحل توربین منبسط می شود، حالت ترمودینامیکی آن به زیر نقطه بحرانی کاهش می یابد زیرا توربین را می چرخاند که ژنراتور الکتریکی را می چرخاند که در نهایت نیرو از آن استخراج می شود. سیال در آن نقطه ممکن است ترکیبی از بخار و قطرات مایع در هنگام عبور از کندانسور باشد . این منجر به مصرف سوخت کمی کمتر و در نتیجه تولید گازهای گلخانه ای کمتر می شود . اصطلاح «بویلر» نباید برای مولد بخار فشار فوق بحرانی استفاده شود، زیرا در این دستگاه «جوش» رخ نمی دهد.
دیگ بخار با سوخت باید هوا را برای اکسید شدن سوخت خود فراهم کند. دیگ های اولیه این جریان هوا یا پیش نویس را از طریق عمل طبیعی همرفت در یک دودکش متصل به اگزوز محفظه احتراق فراهم می کردند. از آنجایی که گاز دودکش گرم شده چگالی کمتری نسبت به هوای محیط اطراف دیگ دارد، گاز دودکش در دودکش بالا می رود و هوای متراکم تر و تازه را به داخل محفظه احتراق می کشد. [ نیازمند منبع ]
بیشتر بویلرهای مدرن به جای کشش طبیعی به کشش مکانیکی وابسته هستند. این به این دلیل است که کشش طبیعی در معرض شرایط هوای بیرون و دمای گازهای دودکش خروجی از کوره و همچنین ارتفاع دودکش است. همه این عوامل باعث می شود تا پیش نویس مناسب به سختی به دست آید و بنابراین تجهیزات پیش نویس مکانیکی بسیار قابل اعتمادتر و مقرون به صرفه تر می شوند. [ نیازمند منبع ]
انواع پیش نویس را می توان به پیش نویس القایی نیز تقسیم کرد که در آن گازهای خروجی از دیگ بخار خارج می شوند. کشش اجباری ، جایی که هوای تازه به دیگ رانده می شود. و پیش نویس متعادل ، که در آن هر دو اثر استفاده می شود. کشش طبیعی از طریق استفاده از دودکش نوعی کشش القایی است. کشش مکانیکی می تواند القا، اجباری یا متعادل باشد.
دو نوع کشش ناشی از مکانیکی وجود دارد. اولین مورد از طریق استفاده از جت بخار است. جت بخار که در جهت جریان گاز دودکش قرار دارد، گازهای دودکش را به داخل پشته القا می کند و اجازه می دهد تا سرعت گاز دودکش بیشتر شود و کشش کلی در کوره افزایش یابد. این روش در لوکوموتیوهای بخار که نمی توانستند دودکش بلند داشته باشند رایج بود. روش دوم صرفاً با استفاده از یک فن القایی (فن ID) است که گازهای دودکش را از کوره خارج می کند و گاز خروجی را به سمت بالا می برد. تقریباً تمام کوره های کششی القایی با فشار کمی منفی کار می کنند.
پیش نویس اجباری مکانیکی با استفاده از یک فن که هوا را به داخل محفظه احتراق می فرستد فراهم می شود. هوا اغلب از طریق بخاری هوا عبور می کند. همانطور که از نام آن پیداست، هوای ورودی به کوره را گرم می کند تا بازده کلی دیگ افزایش یابد. دمپرها برای کنترل مقدار هوای ورودی به کوره استفاده می شوند. کوره های کشش اجباری معمولا دارای فشار مثبت هستند.
کشش متعادل از طریق استفاده از کشش القایی و اجباری به دست می آید. این امر در بویلرهای بزرگتر که در آن گازهای دودکش باید مسافت طولانی را از طریق بسیاری از گذرگاه های دیگ بخار طی کنند، رایج تر است. فن کشش القایی همراه با فن فشاری کار می کند و اجازه می دهد فشار کوره کمی کمتر از اتمسفر حفظ شود.
