دیگ بخار

دیگ بخار چیست؟

دیگ بخار (Boiler) نوعی مخزن تحت فشار بسته است که آب یا سایر سیالات را به بخار داغ و پرفشاری تبدیل ‌می‌کند. این دستگاه در واقع نوعی مبدل حرارتی بر پایه استفاده از سوخت‌های فسیلی یا انرژی الکتریکی است که وظیفه دارد تا انرژی گرمایی مفید برای مصارف صنعتی یا تاسیسات ساختمان را تولید نماید.

هر دستگاه دیگ بخار از بخش‌های مختلفی مانند محفظه احتراق، لوله‌های حرارتی، مخزن آب و بخار به همراه مشعل برخوردار است. انواع دیگ‌های فایرتیوپ، واترتیوب و یا یکبار گذر طراحی ‌شده و همچنین ‌می‌توانند برای گرم کردن انواع سیالات مانند بخار اشباع، آب داغ یا روغن داغ کارایی داشته باشند. از این دستگاه در صنایع مختلفی همچون صنایع غذایی، نساجی، شیمیایی، نیروگاه و تاسیسات بزرگ بیمارستانی یا مجتمع‌های مسکونی برای طراحی سیستم انتقال حرارت استفاده ‌می‌کنند. این مقاله یک راهنمای کامل برای معرفی، بررسی مشخصات فنی و نکات خرید دیگ بخار است.

طراحی و روش کار دیگ بخار

طراحی و مکانیزم کار انواع دیگ بخار یک توازن پیچیده بین حداکثرسازی انتقال حرارت و تضمین ایمنی مطلق تحت فشار بسیار بالا است. مهندسین برای طراحی هر دستگاه دیگ با چالش‌های جدی روبرو هستند. طراحی سطح تبادل حرارتی بالا و در عید حال مقاومت بدنه فلزی دیگ و دیگر بخش‌ها در فشار کاری بالا مهمترین چالش‌های مهندسی است. مکانیزم عملکرد هر دستگاه بویلر از دیدگاه ترمودینامیکی یک سیکل باز است که آن را در سه منطقه اصلی توضیح ‌می‌دهیم:

منطقه اول: عملکرد مدار آب و بخار

سیکل باز عملکرد هر دستگاه بویلر با ورود آب تصفیه شده بدون سختی توسط پمپ به داخل مخزن آغاز ‌می‌شود. البته این پمپ باید بتواند تحت فشاری بالاتر از فشار داخلی دیگ فعالیت کند. همچنین آب ورودی یک مرحله پیش گرمایش را سپری ‌می‌کند تا باعث شوک حرارتی بدنه دیگ نشود.

آب در داخل دیگ اطراف لوله‌های آتش خوار گرم شده و سپس بالا ‌می‌رود. به این ترتیب آب خنک‌تر که سنگین‌تر است جایگزین خواهد شد. این گردش طبیعی باعث ‌می‌شود تا حباب‌های بخار دائما از سطح لوله‌های داخل دیگ کنده شوند. در ادامه مخلوط آب و بخار وارد فضای بالای مخزن شده و با افت ناگهانی سرعت در اثر برخورد با صفحات جدا کننده، قطرات آب از بخار تفکیک خواهد شد. در نهایت بخار خشک از بالاترین نقطه مخزن خارج ‌می‌شود.

منطقه دوم: عملکرد مدار گاز داغ (احتراق)

این منطقه در سمت بخش حرارتی دیگ و برای تولید گرمای قابل توجه در اطراف لوله‌ها است. مشعل اصلی‌ترین عضو این بخش است که از یک دمنده هوا و یک نازل سوخت تشکیل شده است. هوا و سوخت داخل مشعل با نسبت دقیق مخلوط ‌می‌شوند تا شعله قدرتمندی تولید شود. شعله فقط بزرگترین لوله داخلی دیگ را به عنوان کوره اصلی داغ ‌می‌کند و عملا انتقال حرارت به دیگر بخش‌ها از طریق تابش حرارتی انجام خواهد شد.

دیگ‌های بخار را به شکلی طراحی ‌می‌ کنند که قابلیت بازیافت انرژی حرارتی از گازهای داغ پس از احتراق را داشته باشد. زیرا گاز داغ پس از پاس اول در انتهای دیگ بر ‌می‌گردد و وارد پاس دوم (دسته لوله‌ها) می‌شود. حتی ممکن است دیگ را با چندین مرحله پاس گردش هوای داغ در میان لوله‌ها طراحی کنند. این مسیر پر پیچ و خم باعث ‌می‌شود تا گاز تقریبا تمام حرارت خود را به آب داخل دیگ منتقل کند.

منطقه سوم: سیستم کنترل دیگ بخار

سیستم کنترل انواع دیگ براساس فرمان پرشر سوئیچ‌ها و کاملا خودکار انجام ‌می‌شود. زمانیکه فشار داخل دیگ افت می‌کند، در این لحظه پرشر سوئیچ فرمان روشن شدن مشعل را صادر خواهد کرد. اما اگر هیچ بخاری در تاسیسات یا خط تولید کارخانه مصرف نشود، قاعدتا فشار داخل دیگ افزایش پیدا ‌می‌کند. در این لحظه مجددا پرشر سوئیچ وارد عمل شده و مشعل را خاموش خواهد کرد. همچنین از پروپ‌های الکترونیکی برای بررسی دائمی سطح آب داخل دیگ استفاده ‌می‌کنند تا پمپ تغذیه را روشن کرده و از ذوب شدن کوره در اثر حرارت زیاد جلوگیری کند.

اجزای اصلی دیگ بخار

در نگاه مهندسی هر دستگاه بویلر از دو بخش اصلی مدار آب و مدار گاز داغ تشکیل شده است. تمام تجهیزات از قبیل بدنه، مخزن اصلی، مشعل، کنترل و ایمنی در این دو بخش مستقل اما در ارتباط با هم کار ‌می‌کنند. اجزای اصلی هر بخش به قرار زیر هستند.

بدنه و مخزن اصلی دیگ

بدنه و مخزن اصلی مهمترین بخش فنی هر دستگاه دیگ بخار است که وظیفه دارد تا فشار بالای آب فوق گرم یا بخار اشباع را تحمل کرده و فضای کافی برای تبادل حرارتی را فراهم آورد. این بخش کلیدی را از ورق‌های فولادی ضخیم با جوشکاری دقیق مطابق با استانداردهای سختگیرانه ‌می‌سازند. اجزای این بخش دیگ به قرار زیر هستند:

مشعل دیگ

بخش اصلی تامین انرژی حرارتی در دستگاه دیگ بخار است که سوخت و هوا را با نسبت دقیق ترکیب کرده و شعله‌ای پایدار را درون کوره ایجاد ‌می‌کند. فن دمنده مهمترین جز مشعل است که هوای لازم برای احتراق را تامین خواهد کرد. البته مقدار هوا باید کمی بیشتر از حالت تئوری باشد تا احتراق کامل انجام شود. در مشعل از نازل باریکی استفاده ‌می‌کنند که ‌می‌تواند سوختی مانند گازوئیل را به پودر تبدیل کند. اما در مشعل‌های گازسوز از مجموعه شیرها و رگولاتورها استفاده ‌می‌شود. ‌ترانس جرقه زن برای روشن کردن مخطوط هوا با سوخت به همراه چشم فتوسل برای تشخیص شعله از دیگر بخش‌های مشعل هستند.

تجهیزات کنترلی و ایمنی

تجهیزات کنترلی و ایمنی مرکز مدیریت خودکار بویلر هستند. بدون این تجهیزات هر دیگ عملا یک بمب ساعتی است که هر لحظه ممکن است در اثر افزایش تهاجمی فشار منفجر شود. اما این تجهیزات کنترلی و ایمنی به ‌طور مستمر شرایط عملیاتی دیگ را پایش کرده و در صورت بروز هرگونه خطا، دستگاه را سریعا متوقف ‌می‌کنند. تجهیزات به کار رفته در این بخش به قرار جدول زیر هستند:

تجهیزات تغذیه و تصفیه آب

این تجهیزات کیفیت آب ورودی به داخل بویلر را تضمین ‌می‌کند. کیفیت آب تاثیر مستقیم و حیاتی بر طول عمر و راندمان دیگ دارد، زیرا ناخالصی‌ها و املاح موجود در آب در اثر حرارت روی بدنه فلزی دیگ رسوب ‌می‌کند. اما تجهیزات تغذیه و تصفیه آب برای جلوگیری از رسوب گذاری، خوردگی و لجن شدن داخل دیگ هستند.

شیرآلات دیگ بخار

شیرالات و اتصالات در دستگاه دیگ وظیفه دارند که مسیرهای ورود و خروج سیالات را کنترل کرده و امکان سرویس، تخلیه و شرایط کار ایمن را فراهم آورند. مهمترین شیرهای استفاده شده در انواع دیگ بخار به قرار زیر هستند:

تجهیزات خروج گازهای داغ

این تجهیزات در پایان سیکل تبادل حرارتی دیگ بخار قرار گرفته و وظیفه دارند که کاملا ایمن و با بیشترین بازیابی انرژی دودهای داغ حاصل از احتراق را خارج کنند. اکونومایزر (Economizer) نوعی مبدل حرارتی است که در این بخش و کاملا در مسیر عبور دود خروجی قرار دارد. این مبدل گرمای گازهای خروجی را جذب کرده و آب سرد تا قبل از ورود به دیگ بخار را پیش گرمایش ‌می‌کند. عملکرد این مبدل ‌می‌تواند تا حدود 10 درصد راندمان دیگ را افزایش دهد.

در پایان این بخش دودکش به همراه دمپر قرار گرفته است. دودکش نیز یک مسیر عمودی یا افقی است که گازهای حاصل از احتراق را به محیط آزاد تخلیه ‌می‌کند. اما ارتفاع و قطر دودکش را به شکلی طراحی ‌می‌کنند که مکش طبیعی کافی برای خروج کامل گازها فراهم شده و از برگشت فشار به داخل کوره جلوگیری شود.

پارامترهای فنی و راهنمای خرید دیگ بخار

خرید دیگ بخار به سادگی خرید یک خودرو یا یک دستگاه ساده کارخانه‌ای نیست. زیرا باید پارامترهای فنی بسیار زیادی را با توجه به نوع پروژه و مقدار نیاز بخار بررسی کنید. قاعدتا اندازه‌گیری کل مصرف بخار تجهیزات اولین اقدام اساسی است و باید ظرفیت دیگ را تا 20 درصد بالاتر از این مقدار پیش بینی کنید. تعیین دقیق فشار کاری با در نظر گرفت تعداد پاس حرارتی و یا جنس ورقه فولادین مخزن از جمله اقدامات اساسی هستند. در ادامه فهرستی از مهمترین پارامترهای فنی هنگام خرید دیگ بخار را ارزیابی خواهیم کرد.

ظرفیت بخاردهی دیگ (Capacity)

ظرفیت بخاردهی دیگ مهمترین پارامتر در کاتالوگ دستگاه است که معیار اصلی قیمت گذاری و قابلیت‌های کاربردی آن بوده و با پارامتر کیلوگرم بر ساعت (Kg/hr) بیان ‌می‌شود. ظرفیت بخاردهی دیگ را باید براساس مصرف بخار همزمان تمام تجهیزات خط تولید کارخانه یا مصرف همزمان تاسیسات ساختمان محاسبه کنید.

برای محاسبه کل بخار مورد نیاز خط تولید، شرایط کار هر دستگاه را در محدوده عملیاتی نرمال 75 الی 85 درصد ظرفیت بررسی ‌می‌کنند. در این صورت مقدار بخار مورد نیاز هر دستگاه در راندمان بهینه محاسبه ‌می‌شود. حالا با جمع بخار مورد نیاز تمام تجهیزات و در نظر گرفتن 20 درصد اضافه ‌می‌توان ظرفیت بخاردهی دیگ ایده‌آل را محاسبه کرد. اما اگر این ظرفیت دقیق محاسبه نشود، چه اتفاقی می‌افتد؟

انتخاب ظرفیت کمتر از نیاز

در این حالت فشار بخار داخل شبکه توزیع فرو ‌می‌ریزد و تجهیزات مانند اتوکلاو یا خشک کن نمی‌توانند در دمای کاری فعالیت نمایند. در ادامه دیگ بخار مجبور است تا دائم در سقف توان کار کرده و حالت مکش آب (Priming) رخ ‌می‌دهد. حالتی که در آن قطرات آب همراه بخار وارد خط تولید خواهد شد.

انتخاب ظرفیت بیشتر از نیاز

راه‌اندازی دیگ با ظرفیت فراتر از نیاز خط تولید شرایط کاملا بحرانی است. زیرا در این حالت مشعل مدام خاموش و روشن خواهد شد. به این شرایط اصطلاحا Short Cycling گفته ‌می‌شود که هر بار مانند کوبیدن چکش بر بدنه است و مصرف سوخت در لحظه استارت مشعل فوق‌العاده زیاد خواهد شد. استهلاک شدید قطعات، رسوب گیری زود هنگام و افت شدید راندمان همگی از تبعات انتخاب نادرست ظرفیت بویلر هستند.

فشار طراحی دیگ بخار

فشار طراحی یک پارامتر استراتژیک و بسیار حیاتی هنگام خرید دیگ بخار است. این پارامتر حداکثر فشار مجازی است که بدنه و اجزای دیگ در دمای مشخص ‌می‌توانند تحمل کنند. مقدار این پارامتر توسط سازنده روی پلاک مشخصات دیگ حک ‌می‌شود و مبنای تست هیدرواستاتیکی برای تنظیم شیر اطمینان است.

برخی به اشتباه فکر ‌می‌کنند که هرچه فشار طراحی دیگ بالاتر باشد، قاعدتا با ایمنی بهتر فعالیت خواهد کرد. اما خرید دیگ بخار با فشار طراحی بسیار بالاتر از نیاز مجموعه یک اشتباه استراتژیک است. زیرا برای ساخت دیگ‌ها با فشار طراحی بالا از ورق‌های فولادی ضخیم‌تری استفاده ‌می‌کنند. در نتیجه این دیگ‌ها در بار جزئی ناتوان هستند، اما در یک مجموعه کوچک باید دائما در شرایط بار جزئی فعالیت کنند. اگرچه محاسبه فشار طراحی موضوع کاملا مهندسی است ولی ذکر چند نکته سودمند است:

1. فشار طراحی را حداقل 10 و حداکثر 15 درصد بالاتر از فشار کار واقعی مورد نیاز فرآیند انتخاب ‌می‌کنند.
2. شیر اطمینان باید دقیقا روی فشار طراحی دیگ تنظیم شود.
3. تمام شیرآلات، تله‌های بخار و فلنج‌های دیگ باید با فشار طراحی آن همخوانی داشته باشند.

دمای بخار دیگ

دمای بخار در خروجی دیگ یک پارامتر اساسی است که با فشار بخار رابطه فیزیکی دارد. در هنگام خرید باید با دقت بررسی کنید که در کارخانه به چه سطحی از دمای بخار اشباع یا سوپرهیت نیاز دارید. دقت کنید که بخار اشباع یک شرایط نرمال برای طراحی دیگ‌های ارزان و کوچک است. ولی برخی صنایع به حرارتی بسیار بالاتر از حالت اشباع نیاز دارند. این دو شرایط را به تفکیک بررسی ‌می‌کنیم:

دمای بخار اشباع

دیگ‌های معمولی قابلیت تولید بخار اشباع را دارند که ارتباط مستقیم با فشار خروجی دیگ دارد. تا جاییکه هرچه فشار بالاتر باشد، دمای بخار اشباع نیز بالاتر است. به عنوان مثال حداکثر دمای بخار در فشار اتمسفریک فقط 100 درجه است. اما همین دما در فشارهای 2، 7 و 10 بار به‌ ترتیب 134، 170 و 184 درجه سانتیگراد می‌شود.

در هنگام خرید دیگ بخار برای پروژه‌های معمولی باید دقیقا محاسبه کنید به چه مقدار دمای بخار اشباع نیاز دارید و سپس دیگ را با فشار کاری متناظر آن تهیه کنید. به عنوان مثال اگر باید از بخار با دمای 180 درجه استفاده کنید، قاعدتا به دیگی نیاز دارید که بتواند فشار کاری 10 بار را تولید کند.

دمای بخار سوپرهیت (بخار داغ)

اگر فرآیند صنعتی شما به دمایی بالاتر از دمای اشباع در همان فشار نیاز داشته باشد، باید دیگ با قابلیت تولید بخار سوپرهیت را تهیه کنید. این بخار سوپرهیت در واقع همان بخار اشباع است که دوباره در یک مبدل حرارتی گرم ‌می‌شود تا دمایش از نقطه جوش اشباع بالاتر رود.

برخلاف دمای بخار اشباع که به مقدار فشار وابسته است، دمای بخار سوپرهیت یک پارامتر مستقل است. لذا ‌می‌توانیم در فشار ثابت مقدار دما را آن‌طور که نیاز است تغییر دهیم. اما هر چقدر اختلاف دمای سوپرهیت با دمای اشباع بالاتر باشد، باید تجهیزات دیگ را از آلیاژهای قوی‌تر و گران‌تری بسازند.

نوع سوخت دیگ بخار

انتخاب نوع سوخت مهمترین تصمیم اقتصادی و عملیاتی در هنگام خرید دیگ بخار است. زیرا ساختار مشعل، نوع محفظه احتراق و هزینه‌های جاری از تامین سوخت تا سرویس و نگهداری کاملا تغییر ‌می‌کند. اجازه دهید تا انواع سوخت مورد استفاده دیگ‌های بخار را مختصر تشریح کنیم:

دیگ با سوخت گاز شهری

دیگ‌های کوچک که ظرفیت بخار نسبتا پایینی دارند را با مشعل سوخت گازی ‌می‌سازند. این سوخت بسیار تمیز است و رسوب گذاری و خوردگی بسیار کمی دارد. لذا عمر مفید دیگ‌های بخار با سوخت گاز شهری غالبا زیاد است و در عین حال با راندمان خوب بالای 95 درصد کار ‌می‌کنند.

دیگ با سوخت گازوئیلی (دیزلی)

قوی‌ترین دیگ‌های بخار با قابلیت کارکرد دائمی و طولانی مدت 24 ساعته را با مشعل‌های گازوئیلی طراحی ‌می‌کنند. اگر چه قیمت سوخت گازوئیلی از گاز شهری گران‌تر تمام ‌می‌شود، اما با قابلیت ذخیره‌سازی و امکان استقلال از شبکه بهترین پیشنهاد برای جایگزینی گاز یا راه‌اندازی در مناطق دور افتاده است.

دیگ با سوخت مازوت (نفت کوره)

این دیگ‌ها با سوخت بسیار ارزان مازوت کار ‌می‌کنند، ولی آلودگی بسیار زیادی را تولید خواهند کرد. از طرفی ضخامت بدنه این دیگ‌ها بیشتر و فضای احتراق بزرگتری دارند که قیمت دیگ بخار را افزایش ‌می‌دهد. همچنین خوردگی شدید، خاکسترهای چسبنده، نیاز به سیستم پیش گرمایش دائمی و تمیزکاری مداوم از جمله چالش‌های سوخت مازوت است و قاعدتا چندان گزینه ایده‌آل و اقتصادی نیست.

دیگ بخار برقی (دیگ الکتریکی)

این نوع دیگ از نیروی برق برای تولید حرارت استفاده ‌می‌کند و فقط برای پروژه‌های کوچک صنعتی مقرون به صرفه هستند. زیرا با وجود راندمان بالای 95 درصد و عملکرد بدون دودکش، قیمت تمام شده بخار در این مدل‌های برقی بسیار گران است.

تعداد پاس حرارتی دیگ

تعداد پاس حرارتی یکی دیگر از فاکتورهای کلیدی در راندمان و کاهش هزینه‌های جاری بویلر است. این عدد نشان ‌می‌دهد که گازهای داغ حاصل از احتراق، چند بار طول دیگ را طی ‌می‌کنند تا حداکثر گرما را به آب منتقل نمایند. نحوه انتخاب دیگ بخار براساس این پارامتر را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم:

• دیگ دو پاس: در این دیگ شعله از جلو وارد لوله‌های کوره شده و در انتهای آن بر‌می‌گردد تا از لوله‌های دسته دوم به سمت دودکش هدایت شود. عملا دو پاس برای جذب حداکثر حرارت وجود دارد. ظرفیت این نوع دیگ‌ها تقریبا کم و راندمان آنها نهایتا 85 درصد است.‌
• دیگ سه پاس: رایج‌ترین نوع طراحی یک دیگ با راندمان عالی بالای 90 درصد است که در سه مرحله از کوره تا دودکش حرارت را جذب ‌می‌کند. برای اکثر صنایع خرید دیگ سه پاس با سوخت گازی یا گازوئیلی بهترین پیشنهاد است.
• دیگ چهار پاس: در این نوع یک دور کامل اضافه‌تر نسبت به سه پاس پیش بینی شده و دود مسیر طولانی‌تر برای خروج از دودکش را سپری ‌می‌کند. اگرچه راندمان این مدل خیلی بالا و فراتر از 95 درصد است، اما احتمال ایجاد نقطه شبنم اسیدی در اثر کاهش شدید حرارت دود وجود دارد. اگر سوخت گوگرد داشته باشد، احتمال شکل‌گیری اسید سولفوریک مایع و سوراخ شدن لوله‌های دیگ زیاد است. بنابراین زمانی از دیگ چهار پاس استفاده می‌کنند که سوخت مرغوبی در اختیار داشته باشند. در بهترین حالت ‌می‌توانید از ‌ترکیب دیگ سه پاس با اکونومایزر استفاده کنید.

بهترین برندهای تولید کننده دیگ بخار

دیگ بخار یک دستگاه با ابعاد گسترده است که برای ساخت آن از قطعات فنی زیادی استفاده ‌می‌شود. این قطعات و بخش‌های مختلف ‌می‌توانند محصول برندهای متفاوتی باشند. لذا به راحتی نمی‌توان فهرستی از بهترین برندهای تولید کننده انواع دیگ بخار را معرفی کرد.

اما برخی ماشین‌سازها در عرصه بین‌المللی این دستگاه را با ضریب عملکرد خوب و استانداردی تولید ‌می‌کنند. شما ‌می‌توانید بهترین دستگاه‌های دیگ بخار با ظرفیت‌های گوناگون را از طریق فروشگاه اینترنتی پیکاتک تهیه کنید. در حال حاضر بهترین برندهای تولید کننده انواع دیگ به قرار زیر هستند:

• Bosch ساخت آلمان
• Miura ساخت ژاپن
• Cleaver Brooks ساخت آمریکا
• Shuang Liang ساخت چین
• Zhejiang Tuff ساخت چین
• صنایع گرما گستر
• شرکت بویلر مپنا

قیمت دیگ بخار

در هنگام خرید صرفا براساس قیمت اولیه دستگاه تصمیم‌گیری نکنید. قیمت دیگ بخار قابل توجه است، اما همه ماجرا نیست. بهترین روش در نظر گرفتن هزینه تمام شده برای تولید هر کیلوگرم بخار است. به عنوان مثال قیمت دیگ بخار با راندمان 80 درصد ممکن است خیلی ارزان باشد، اما هزینه سوخت همین دیگ در طول چند سال آنقدر سنگین ‌می‌شود که دیگر صرفه اقتصادی نخواهد داشت.

کیفیت فولاد بدنه دیگ مهترین فاکتور تعیین کننده قیمت اولیه دستگاه است. در این میان محصولات ساخته شده با ورق‌های فولادی دارای گواهی تست ذوب با قیمت بالاتری فروخته ‌می‌شوند. از طرفی یک دیگ خوش ساخت سطح گرمایش بیشتری در ازای تولید هر تن بخار دارد.

مثلا ممکن است در یک دیگ ارزان از تعداد لوله‌های کمتر یا کوره کوچکتر در مقایسه با ظرفیت و ابعاد دیگ استفاده شده باشد. این مواد تنها چند نکته ساده برای ارزیابی قیمت دیگ بخار هستند. شما ‌می‌توانید از مشاوره تخصصی در فروشگاه اینترنتی پیکاتک برای بررسی محصولات مختلف و انتخاب دیگ مناسب پروژه با بهترین قیمت استفاده کنید.