جوش آور

نام انگلیسی: Boiler

سایر اسامی: دیگ بخار، مولد بخار

جوش آور محفظ های است که با تغذیه آب به درون آن به کمک یک منبع گرمایی به طور پیوسته بخار تولید می کند. در طرحهای اولیه جوش آور پوست های ساده با یک لوله تغذیه و یک خروجی بخار بودکه روی آن با آجر پوشیده می شد. سوخت در داخل پوشش دیگ سوزانده می شد، سپس جوش آورهایی طراحی شد که در آن آب از درون لوله ها و آتش از بیرون آن عبور می کرد.

امروزه اجزای اصلی جوش آور را می توان به صورت زیر نام برد:

– دیگ بخار (steam drum): ظرف استوانه ای بزرگی است که به طور افقی کارگذاشته می شود. درون نوع تکامل یافته آن تعداد زیادی جدا کننده آب وبخار (Separator) وجود دارد.

– کوره (furnace): محفظه ای است که نفت کوره یا گاز طبیعی در آن می سوزد.

– مشعل (Burner): وسیله ای است که برای سوزاندن نفت کوره ویا گاز طبیعی در مجاورت هوا در محفظه احتراق بکار می رود.

عموماً جوش آور را بویلر یا دیگ بخار نیز می نامند. آبی که قرار است در جوش آور بخار شود قبلا تحت عمل هوازدایی توسط هیدرازین یا سایر مواد شیمیایی قرارمی گیرد. زیرا اگر حبابهای هوا در این آب وجود داشته باشد حجم مفید آن کاهش می یا بد و نتیجتاً دارای کاهش تبادل حرارت هستیم علاوه بر این امکان خوردگی در سیستم افزایش پیدا می کند. عملیات دیگری که قبل از ورود آب به جوش آور بر روی آن انجام می شود پیش گرم کردن آن است. این کار برای بالا بردن راندمان سیستم انجام می شود و به این ترتیب است که آب قبل از ورود به جوش آور وارد محفظه ای به نام اکونومایزر (Economizer) می شود. اکونومایزر در واقع مبدل پوسته و لوله ای است که توسط دود خروجی از کوره آب را گرم می کند. به این صورت که دود قبل از ورود به دودکش از اکونومایزر گذشته و سیال را گرم می کند سپس از طریق دودکش به محیط فرستاده می شود.

جوش آورها را می توان از دیدگاههای مختلف تقسیم بندی نمود. چند نوع از این تقسیم بند ی ها به طور خلاصه در زیرآورده شده است.

– تقسیم بندی بر اساس جهت محور پوسته (عمودی یا افقی)

– تقسیم بندی بر اساس نحوه استفاده از آن (ثابت یا قابل حمل)

– تقسیم بندی بر اساس وضعیت کوره

– تقسیم بندی بر اساس وضعیت نسبی آب و گازهای داغ (Water tube, Fire tube)

به جوش آورهایی که آب داخل لوله جریان داشته باشد Water Tube گفته می شود. دسته دیگر که گازهای داغ داخل لوله جریان دارد به جوش آورهای Fire Tube معروف می باشند

ابتدا به بررسی تامین هوای مورد نیاز سوخت در کوره ها می پردازیم، که این به دو روش متفاوت صورت می گیرد:

– روش استفاده از دمنده Forced Draft Fan

– روش استفاده از مکنده Induced Draft Fan

در کوره هایی که از دمنده استفاده می شود باید ساختمان کوره به نحوی باشد که گازهای گرم و شعله های حاصل از احتراق نتواند به بیرون راه پیدا کند، زیرا فشار کوره کمی بیشتر از فشار جو است. مکنده را درکوره هایی به کار می برند که حجم کوره و تعداد مشعلهای آن زیاد باشد. زیرا با بودن مکنده در کوره، خلا ایجاد می شود و هوا می تواند از محلهای معینی وارد کوره گردد. از امتیازات کوره هایی که با دمنده کار می کنند این است که به علت وجود خلا در کوره شعله و گازهای گرم به خارج راه پیدا نمی کند.

در مورد کنترل جوش آورها باید به نکات زیر توجه نمود:

ارتفاع مایع در دیگ بخار یکی از مهمترین چیزهایی است که باید به خوبی در هر جوش آوری کنترل گردد. زیرا اگر سطح مایع کم باشد با افزایش تولید امکان، اینکه تمام آب بخار شود زیاد است. در چنین وضعی ممکن است که قسمتهایی از دیگ بخار ذوب شود. از طرف دیگر اگر ارتفاع مایع زیاد باشد تولید بخار کاهش می یابد. مقدار سوخت نیز باید به خوبی کنترل گردد.چرا که اگر سوخت کم شود تولید بخار پایین آمده و روند را به هم می زند. اگر سوخت زیاد باشد باعث ازدیاد تولید بخار می شود که این خود به کم کردن آب دیگ بخار کمک می کند. هوا جهت احتراق باید کاملا کنترل شود، زیرا کمبود هوا باعث سوختن ناقص هوا و یا نفت کوره می گردد و بالعکس ازدیاد هوا ممکن است باعث خاموش شدن شعله مشعلها گردد. کنترل مواد شیمیایی جهت پیشگیری از خورندگی نیزاز نکات مهم است که باید به آن توجه شود.

نام انگلیسی: Water tube Boiler

جوش آورهای Water tube نیز از دیگ بخار، کوره و مشعل تشکیل شده اند لکن از دیگ بخار (Steam Drum) آن لوله های زیادی منشعب شده و به دیگ ته نشین کننده (Mud Drum) وصل می شود وضع انشعاب لوله ها و قرارگرفتن آنها در کوره به نحوی است که لوله هایی که دورتر از آتش کوره قرار دارند آب را از دیگ بخار به دیگ ته نشین کننده می برند، این لوله ها را پایین بر (Down comer) می گویند. لوله هایی که در مجاورت شعله آتش قرار دارند مخلوط آب و بخار آب را به دیگ بخار می برند این لوله ها را بالا بر (Riser) می نامند. بر حسب شرایط مختلف جوش آورهای واترتیوب را با یک، دو یا بدون دیگ ته نشین کننده می سازند. سیستم گردش آب در جوش آورهای واتر تیوب می تواند به صورت های زیر باشد:

– سیستم گردش طبیعی آب (Natural Circulation): می دانیم سیال با جرم کمتر همواره بالای سیال با جرم حجمی بیشتر قرار می گیرد، این پدیده مبنایی در طراحی سیستم گردش آب جوش آورها است. بر این مبنا اغلب لوله های انتقال آب و بخار، عمود بر سطح افق نصب می شوند و معمولا یک مخزن جداکننده آب و بخار در بالای جوش آور قرار داده می شود. آب توسط لوله های پایین بر به پایین جوش آور منتقل و توسط لوله هایی به نام هدر (Header) در لوله های اصلی توزیع می شود. همزمان آب،گرم شده، جرم حجمی آن کمتر شده و به بالا هدایت می شود. بنابراین سرعت لازم در جریان آب بر اساس وزن ستون آب (موجود در لوله های پایین بر ) و تفاوت جرم حجمی در لوله های اصلی حاصل می گردد.

– گردش اجباری کنترل شده (Controlled Forced Circulation): در سیستم هایی که اثر وزن آب در لوله های پایین بر نتواند به تنهایی ایجاد جریان لازم را نماید از یک پمپ کمکی هنگام راه اندازی استفاده می شود.

– سیستم گردش اجباری (Forced Circulation): در این سیستم علاوه بر استفاده از اصول گردش طبیعی آب برای به دست آوردن دبی های جرمی بالاتر از پمپ استفاده می کنند.

ساخت وجوه کوره وکانال های در معرض شعله و دود از جنس نسوز وبا ورقه فلزی، حجم کانال وکوره را زیاد کرده و سطح تبادل حرارتی را کم کرده و نیز خوردگی در آن زیاد است، با توجه به این مسایل، محل های در تماس با شعله و دود را از لوله هایی که آب در آنها جریان دارد می سازند. جریان آب از بالا رفتن دمای فلز و جداره لوله ها جلوگیری می کند. در نتیجه از خوردگی سریع آنها جلوگیری می کند.

بر اساس شکل لوله ها و دیواره ها می توان این جوش آورها را به صورت زیر تقسیم بندی نمود:

– جوش آورهای با لوله های مستقیم (Straight Tube Boilers): در این سیستم تنها از یک دسته لوله های مستقیم برای گرم کردن آب استفاده می شود که یک صفحه تغذیه کننده را به یک صفحه جمع کننده وصل می کنند. صفحات تغذیه کننده و جمع کننده توسط لوله هایی به مخزن جداکننده آب و بخار متصل می شوند.

– جوش آورهای با لوله های خمیده (Bent Tube Boilers): در این سیستم با دادن خم هایی به لوله ها و قراردادن آنها به نحو مناسب شکل اتاق احتراق و قسمتی از کانال دود را ایجاد می کنند، همچنین در مسیر عبور گازهای داغ و دود دسته هایی از لوله های خم شده که به صورت کویل در آمده اند قرار داده می شوند. این سیستم در بیشتر جوش آورها مورد استفاده واقع می شود. استقرار لوله ها در جداره باعث افزایش سطح تبادل حرارتی می شود.

مزایا و معایب جوش آورهای واترتیوب: جوش آورهای واترتیوب از لحاظ ایمنی مطمئن تر هستند. زیرا آب در واحد کوچکتری یعنی در لوله ها است. کلیه قسمت های یک جوش آور واترتیوب جهت تمیزکاری، بازرسی و تعمیرات قابل دسترس است. جوش آورهای واترتیوب به دلیل بزرگی سطح تبادل حرارتی و طولانی بودن مسیر عبور گاز و سرعت چرخش آب سریعتر بخار تولید می کنند، به همین دلیل آنها را می توان تحت بار بسیار بیشتری نسبت به سایرین قرار داد. این جوش آورها با تغییرات ناگهانی وکم و زیاد شدن های بخار سریعتر هماهنگ می شوند. با وجود مزایای ذکر شده این جوش آورها نسبتاً گران هستند لذا در طرحهای کوچک معمولاً از جوش آورهای فایر تیوب استفاده می شود.

نام انگلیسی: Fire tube Boiler

این جوش آورها از سه قسمت دیگ بخار، کوره و مشعل تشکیل شده اند. ساختمان آن بدین صورت است که دیگ بخار آن به صورت یک دستگاه مبدل حرارتی پوسته و لوله است. این جوش آور بیشتر در جاهایی کار گذاشته می شود که بخواهند از هدر رفتن گرمای حاصل از یک فعل و انفعال جلوگیری کنند (مثل گرمای حاصل از سوزاندن گوگرد و اکسیژن برای تهیه اسید سولفوریک).

در این نوع جوش آورها گازهای گرم از درون لوله های دیگ بخار می گذرند و ضمن تبادل حرارت با آب داخل پوسته، آب را به بخار تبدیل می کنند. در یک نوع از جوش آورهای Fire tube، دیگ عمودی بالا خشک است. این جوش آور شامل یک پوسته استوانه ای عمودی حاوی یک آتشدان استوانه ای و تعدادی لوله های دودی کوچک است. گرمای ناشی از عبور آتش از ورقه های آتشدان به آب درون دیگ از طریق تابش انتقال می یابد. گازهای داغ به سمت بالا و از میان لوله های دود به دودکش می روند و در این میان قسمتی از گرمای خود را به فلز لوله ها می دهند که سبب انتقال گرما به آب درون دیگ می شود. فشار این نوع جوش آورها به ندرت از ۲۰۰ psi تجاوز می کند.

مزایای جوش آورهای فایر تیوب: هزینه ساخت جوش آورهای فایرتیوب کمتر از سایر انواع جوش آورها است، علاوه بر این، جوش آورهای فایرتیوب با داشتن سطح حرارتی مساوی آب بیشتری نسبت به سایر جوش آورها در دیگ بخار خواهند داشت. از این مولدها معمولا برای تولید حجم کم بخار استفاده می شود.

معایب جوش آورهای فایرتیوب: قسمت های مختلف جوش آورهای فایرتیوب برای تمیزکاری، بازرسی وتعمیرات کمتر قابل دسترس است. ظرفیت این نوع جوش آورها با بالا رفتن فشار و دمای مورد نیاز محدودیت پیدا می کند و به ضخامت جداره بیشتری احتیاج دارد در نتیجه با کم و زیاد شدن تقاضای بخار کمتر هماهنگ می شود، همچنین به دلیل اینکه تغییرات درجه حرارت ایجاد تنش های زیادی در اجزای جوش آور می نماید احتمال انفجار در این نوع جوش آورها از سایر انواع بیشتر است، لذا ضریب اطمینان کمتری دارند.